LS-DYNA 中的接触界面模拟(2)

6 接触控制参数
LS-DYNA 提供了多个与接触相关的控制参数。根据不同接触问题的具体特点，设置不
同的控制参数，对提高“接触模型”的精确性是非常必要的。
LS-DYNA 中的接触控制参数可以在*Control_Contact、*Contact 或*Part_Contact 中设置，
而有些参数也可以同时在多个命令中设定。如一个参数在多个命令中设置，则这样的设置有
一定的优先次序。*Control_Contact 对整个模型中的接触提供一种“全局性”的“缺省”参
数设置；*Contact 对每个具体的接触提供“局部”的参数设置，优先权较高；*Part_Contact
则为某个具体的Part 涉及的接触提供最高级别的参数控制。
6.1 Thickness offset: Automatic, SLTHK(Card 1,*Control_Contact, Option Card A)
LS-DYNA 中非自动接触类型：
1 *CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE
2 *CONTACT_NODES_TO_SURFACE
3 *CONTACT_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE
利用参数SHLTHK 确定是否考虑“ 厚度偏置” （ 见下图） ， 该参数可以在
*CONTROL_CONTACT 中全局定义，也可以在Optional Card B 中局部定义。如果
SHLTHK=0，不考虑厚度偏置，采用incremental search 方法来确定从节点最接近的主段；如
SHLTHK=1，考虑变形体的厚度偏置，但不考虑刚体厚度偏置；如SHLTHK=2，变形体、
刚体的厚度偏置都考虑。如SHLTHK 为1 或2，程序采用global bucket search 来确定接触对。
接触建立以后，采用incremental searching 来跟踪从节点在主面上的位置。采用global bucket
searching 的优点是主、从面可以不连续（这对incremental search 是不可能的）。
在非自动接触类型中，接触段的法向方向（符合右手法则，指向接触面）是非常重要的，
必须保证所有接触段的法向一致指向接触面，这就是所谓的“oriented contact”。一个简单
的方向自动定位方法是激活*CONTROL_CONTACT 中的参数ORIEN（必须在两个中面间有
一定的距离）。
自动接触和单面接触总是考虑“壳厚偏置”。在这些类型的接触中，采用整体块搜索和
局部增量搜索方法确定接触对。
在Crash Analysis中，一般建议使用自动类型的接触，因为自动接触对于接触面的连续性、
方向等基本没有限制，具有教强的适应能力。
6.2 Contact Sliding Friction: FS&FD(Card 2)
LS-DYNA 中的摩擦采用Coulcomb 摩擦列式与等效弹塑性弹簧模型。摩擦通过设置
*Contact 或*Part_Contact 中非零的静（FS）、动（FD）系数来激活。
如静、动摩擦系数不同，则FD 应小于FS，同时必须指定非零的衰减系数DC。对于伴
有数值噪声的问题（如Crash Analysis），FS、FD 通常设为相同的值，以避免额外噪声产生。
为限制过大、不真实的摩擦力产生，通常设置VC = σ y 3 。
不同类型的问题对摩擦系数的敏感性是不同的，有时可能存在很大的差异。在具体问题
分析是，可以通过极限分析（设置FS 和FD 的上、下限）的方法确定摩擦的敏感性。
6.3 Penalty Scale Factors: SFS&SFM(Card 3)
罚因子（SFS、SFM）用来增大或减小接触刚度。在Soft=0、2 时，真正的主、从罚因
子是SFS、SFM 分别与SLSFAC（*Control_Contact 中定义）的乘积。
对于材料刚度相当、网格尺寸相差不大的两面间的接触问题，SFS、SFM、SLSFAC 的
缺省设置是可行的。但相接触的两个面的材料、网格相差很远时，对于Soft=0 的接触算法
可能存在问题，此时一个简单的办法就是设置Soft=1，而不必考虑（或试算）罚因子的选择。
6.4 Contact Thickness: SST&MST（Card 3）
SST、MST 可以直接指定期望的“接触厚度”。如SST=MST=0（缺省值），则接触厚度
等于*Section_Shell 中定义的单元厚度。
有时通过设置非零的SST、MST 值来消除“初始穿透”（尽量避免这样做）。 SST 和
MST 一般不应小于0.6～0.7。
Contact Thickness Scaling（SFST&SFMT ）同SST、MST 作用相同。
6.5 Viscous Damping: VDC(Card 2)
粘性接触阻尼用来降低（高速）碰撞过程中接触力的高频振荡。对于存在软材料（如泡
沫材料）的接触问题，VDC 设为40~60（临界阻尼的40~60%），通常能提高模型的稳定性。
对于金属间的碰撞接触问题，VDC 一般可设为20。
6.6 Bucket-Sort Frequency: BSORT(Optional Card A, *Contact)&NSBCS(Card 2，
*Control_Contact)
Bucket Sort 是一种非常有效的接触搜索算法。如果考虑“厚度偏置”，则在所有的接触
类型（自动、非自动接触）中，对于任一从节点均使用Bucket Sort 方法搜索可能与之接触
的主段。由于接触搜索是“接触模拟”中非常耗时的一个步骤，因此应尽量减少搜索的次数。
BSORT 用来指定两次搜索间的迭代时间步数，Bucket Sort 的间隔一般为10～100（与具体
的接触类型有关）。
对于不连续面间的接触、高速碰撞等问题，应增加搜索的次数，即减小BSORT（或
BSBCS），但一般不应小于10。在这些问题中，如搜索间隔过大，一些从点就会在接触处理
中被漏掉。但对于相对平滑的面间接触问题，可以适当增加BSORT 或NSBCS。
6.7 Maximum Penetration： PENMAX (Optional card B, *Control Contact)& XPENE
(Card 2, *Control_Contact)
为避免由于从节点穿透深度过大（罚力与穿透深度成正比）而引起的数值不稳定，当从
节点穿透到一定的深度（Maximum Penetration），该节点从接触中自动释放（但依然参与其
他的计算）。在对壳元的穿透中，为防止当从节点穿透壳的中面而引起的接触力方向的突然
翻转，“壳厚偏置”的考虑也是非常必要的。
在非自动接触中，如SHLTHK＝0，则缺省的最大穿透深度为1.0e20，也就是说不考虑
从节点的释放。如SHLTHK=1 or 2，则参数XPENE 确定节点释放准则：
Max Distance（Solids）＝XPENE（default=4.0）*（thickness of the solid element），
SHLTHK=1
Max Distance（Solids）＝0.05*（thickness of the solid element），SHLTHK=2
Max Distance（Shells）＝XPENE（default=4.0）*（thickness of the shell element），
SHLTHK=1
Max Distance（Shells）＝0.05*（minimum diagonal length），SHLTHK=2
在自动接触、单面接触中（Automatic_General 除外），最大穿透深度由PENMAX（缺
省值为0.4）确定：
Max Distance=PENMAX*(thickness of the solid)
Max Distance=PENMAX*(slave thickness+master thickness)
对于Automatic_General 接触，PENMAX 的缺省值为200（几乎不考虑节点的释放）。
对于控制最大穿透深度的参数一般不要改动（使用缺省设置）。如果节点穿透过大而需
要释放，可以采用增大接触刚度、改变罚函数算法（SOFT），或增加接触厚度等方法来实现。
7 接触输出
在LS-DYNA 中，最常用的接触输出文件是RCFORC，它包含主、从面每一个节点接
触力（Global Cartesian Coordinate System）的ASCII 文件。为输出RCFORC 必须在k 文件
中包含*Database_FCFORC，同时必须激活接触控制中的参数SPR、MPR（Card 1）。注意：
对于单面接触， RCFORC 无效。此时要输出接触节点力， 必须通过
*Contact_Force_Transducer_Penalty 定义力传感器（force transducers）。力传感器仅用来输出
接触力，对数值分析结果毫无影响。
接触面的能量通过*Database_Sleout 输出到ASCII 文件SLEOUT 中。该文件对于分析每
个接触定义的可靠性是很有帮助的。
在某些情况下，有时需要接触界面的可视化（如应力云图等），这时必须通过以下控制
输出二进制的接触界面文件：
1) *Database_Binary_Intfor；
2) 设置接触面的输出标志SPR、MPR；
3) 在执行计算任务时，包含选项“s=filename”。