公开培训optistruct接触非线性7575

1、OptiStruct接触非线性接触非线性技术支持热线：4006-196-186技术支持邮箱： .cn 接触非线性 接触的定义方法 接触离散 接触刚度 接触厚度 摩擦模型 接触间隙/过盈 接触对搜索间距 切向滑移类型 法向接触类型 接触友好单元内容提纲内容提纲 四种接触 接触结果输出 特殊接触 快速接触算法 热接触 接触结果的继承 接触的激活与抑制 接触界面的区域大小和相互位置及接触状态事先不可知，而且随时间变化，需要在求解过程中确定 接触条件为强非线性的单边不等式约束 接触面法向不可互相侵入 接触面切向摩擦条件接触非线性接触非线性 接触定义通过CONTACT，PCONT卡片定义 接触的简单定义

2、可只通过CONTACT卡片完成 接触从面/从节点，主面定义 摩擦系数 切向相对滑移类型 以上定义适用于大多数的接触分析，更复杂接触需用到更多字段OptiStruct接触定义接触定义 OS-T: 1365 NLSTAT Analysis of Solid Blocks in Contact练习练习 DISCRET N2S 点面接触 S2S 面面接触接触离散接触离散(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CONTACTCTIDPID/TYPE/MU1SSIDMSIDMORIENTSRCHDISADJUSTCLEARANCE DISCRETTRACK +SMOOTHSMSIDE

3、SMREG 对于每个从节点，在SRCHDIS （CONTACT卡片字段）距离内寻找一个主面，该从节点可通过主面的法向投影至主面上。 找到主面后在从节点、主面间建立接触单元。 对于小变形分析（PARAM，LGDISP，0/-1），N2S接触内部自动转换为CGAP单元接触离散接触离散 N2S接触单元接触单元masterslavenzyx 对每一个从节点查找从面相邻的面片 在每一个从节点相邻的面片上选择样本点（高斯点），采用N2S的方法查找相应的主面面片 在从面片和主面片之间建立接触单元接触离散接触离散 - S2S 接触单元接触单元 S2S的计算量较N2S大，但是一般情况下S2S计算出的接触力比N2

4、S光顺 当从面是节点集合（SET）时，必须采用N2S 当从面为实体单元集（SET）时，建议采用N2S。如果从面是实体单元面（SURF），可采用S2S 当主从面存在尖角，建议采用N2S。或将存在尖角的面拆分为多个面，建立多个S2S接触。或在CONTACT卡片上设置CORNER字段接触离散类型的选择接触离散类型的选择面面接触：S2S或N2S线面接触：N2S边边接触：不支持 模型描述 红色部分为从面 蓝色部分为主面 在蓝色部件顶部施加强制位移 结果比较 S2S计算出的接触力更均匀，更接近于理论结果接触离散示例接触离散示例S2SN2S 模型描述 红色部分为主面 蓝色部分为从面 在蓝色部件顶部施加强制位

5、移 结果比较 S2S结果对主从面的选择不敏感，N2S敏感。接触离散示例接触离散示例S2SN2S OS-T: 1392 Node-to-Surface vs Surface-to-Surface Contact练习练习 在主从面之间，对每个从节点在搜索间距SRCHDIS内寻找主面上的投影点，建立接触单元。 对于小滑移(CONTACT卡片上TRACK=SMALL)，只是在第一个增量步的开始根据SRCHDIS建立接触对，以后该接触对不会再更改。 对于有限滑移(CONTACT卡片上TRACK=FINITE) ，在每个增量步的开始根据SRCHDIS更新接触对 对于连续滑移(CONTACT卡片上TRACK

6、=CONSLI) ，在每个迭代步开始根据SRCHDIS更新接触对。搜索距离搜索距离(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CONTACTCTIDPID/TYPE/MU1SSIDMSIDMORIENTSRCHDISADJUSTCLEARANCE DISCRETTRACK +SMOOTHSMSIDESMREG OptiStruct采用罚函数法引入法向不可穿透约束 接触单元可简单理解为弹簧单元，接触刚度即为该弹簧单元的刚度。 在主从面之间没有穿透时，弹簧不会产生作用力 当主从面之间产生穿透时，弹簧产生作用力， 接触力与穿透距离成比例 穿透量的大小可通过调整接触刚度来实现法向接触

7、刚度法向接触刚度F = k dkd 现实中接触面之间不会发生穿透，这是因为接触刚度无穷大 OptiStruct采用罚函数法，允许少量的穿透 如果接触刚度太小，会导致大的穿透 如果接触刚度过大，会导致收敛困难法向接触刚度法向接触刚度 STIFF设置接触刚度 STIFF=AUTO，默认值，接触刚度根据主从面的刚度自动计算。 STIFF设置为正实数，用户自定义接触刚度 STIFF=SOFT/HARD，自动设置为一个较小/大的接触刚度 STIFF=负实数，在STIFF=AUTO计算的接触刚度上放缩|STIFF| 接触刚度越大，穿透越小，但是越不容易收敛法向接触刚度设置法向接触刚度设置(1)(2)(3)

8、(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)PCONTPIDGPADSTIFFMU1MU2CLEARANCESEPARATION FRICESL 法向接触状态可分为可分离，不可分离 默认参数下，主从面之间只能传递压力，不能传递拉力 通过参数设置，可以实现主从面不分离 SEPARATION=NO， 主从面之间一旦接触就不会分离法向接触状态法向接触状态(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)PCONTPIDGPADSTIFFMU1MU2CLEARANCESEPARATION FRICESL 采用库伦摩擦模型 现实中如果切向力小于临界值，主从面不会产生相对滑移。如果切向力等于临

9、界值，主从面发生相对滑移。该模型在数值计算中难以严格实现。 数值计算作了一定的近似。在切向力小于临界值时，接触界面间允许出现小的相对滑移，在切向力达到临界值时，相对滑移量为一用户指定值FRICESL（PCONT卡片字段）。 默认情况下，FRICESL为接触主面典型单元长度的0.5%切向接触切向接触 - 摩擦摩擦FTd (sliding distance)tcriticalFriction Force FTd (sliding distance)p1p2ESLKTFT = m * pNormal force StickSlip 接触界面如果涉及摩擦，会生成非对称刚度阵，将采用非对称求解算法（MU

10、MPS）求解 摩擦力会显著影响模型的收敛性 带摩擦接触计算量增大，结果更准确切向接触切向接触 -摩擦摩擦 摩擦系数可以在CONTACT或PCONT卡片上设置 MU1静摩擦系数，MU2动摩擦系数 CONTACT卡片上MU1 为大于0整数，表示MU1引用的是一个TABLES1，摩擦系数随加载时间变化摩擦系数设置摩擦系数设置(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)PCONTPIDGPADSTIFFMU1MU2CLEARANCESEPARATION FRICESL (1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CONTACTCTIDPID/TYPE/MU1SSID

11、MSIDMORIENTSRCHDISADJUSTCLEARANCE DISCRETTRACK +SMOOTHSMSIDESMREG 连续工况分析 工况1 ：非线性静力分析 在刹车片上施加压力，给定一个小的摩擦系数 工况2：非线性静力工况 CNTNLSUB 保持刹车片上的压力 转动车轮盘片 增加界面摩擦系数 工况3：复特征值分析 STATSUB(BRAKE)变摩擦系数示例变摩擦系数示例0.000.200.400.600.000.501.001.502.002.50Coefficient of FrictionLoad StepSub Case Specific FrictionTRW_MOD_B

12、RSQ_S2S_mod-FRICTAB.fem 切向接触状态的前提是法向已经产生接触 切向接触状态可分为粘结、滑移 粘结就是主从面之间不发生相对滑移 滑移就是主从面之间发生了相对滑移 滑移按照滑移量的大小又分为小滑移、有限滑移、连续滑移 小滑移是指主从面的相对滑移量小于一个单元的尺寸 有限滑移和连续滑移是指主从面相对滑移大于一个单元尺寸切向接触状态切向接触状态 小滑移、有限滑移、连续滑移的区别 TRACK=SMALL，小滑移只在第一个增量步的开始搜索接触对，之后不再更新接触对，计算效率高，适用于实际相对滑移量小于一个单元尺寸 TRACK=FINITE，有限滑移在每个增量步的开始更新接触对，在当

13、前增量步内不会更新接触对，计算效率比小滑移低，不支持自接触。适用于较大的相对滑移。 TRACK=CONSLI，连续滑移在每个迭代步更新接触对，计算结果更准确，收敛性更好，计算效率比有限滑移低，支持自接触（CONTACT卡片SSID=MSID）。适用于较大的相对滑移。切向接触状态切向接触状态(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CONTACTCTIDPID/TYPE/MU1SSIDMSIDMORIENTSRCHDISADJUSTCLEARANCE DISCRETTRACK +SMOOTHSMSIDESMREG 切向不可滑移 TYPE=STICK 法向一旦接触，切向不会产生

14、相对滑移 切向小滑移、有限滑移、连续滑移 TRACK=SMALL/FINITE/CONSLI切向接触状态切向接触状态(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CONTACTCTIDPID/TYPE/MU1SSIDMSIDMORIENTSRCHDISADJUSTCLEARANCE DISCRETTRACK +SMOOTHSMSIDESMREG (1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CONTACTCTIDPID/TYPE/MU1SSIDMSIDMORIENTSRCHDISADJUSTCLEARANCE DISCRETTRACK +SMOOTHSMSIDE

15、SMREG 切向滑移，法向可分离 切向滑移，法向不可分离 切向不可滑移，法向可分离 切向不可滑移，法向不可分离四种接触四种接触 切向滑移，法向可分离，应用最广的接触类型 设置方法1 CONTACT卡片上TYPE=SLIDE，TRACK=SMALL/FINITE/CONSLI，如果有摩擦，设置MU1摩擦系数 设置方法2 CONTACT卡片引用PCONT卡片， TRACK=SMALL/FINITE/CONSLI，如果有摩擦，设置MU1，MU2摩擦系数 四种接触四种接触 - 1(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CONTACTCTIDPID/TYPE/MU1SSIDMSID

16、MORIENTSRCHDISADJUSTCLEARANCE DISCRETTRACK +SMOOTHSMSIDESMREG (1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)PCONTPIDGPADSTIFFMU1MU2CLEARANCESEPARATION FRICESL 切向滑移，法向不可分离 CONTACT卡片引用PCONT，SAPARATION=NO，TRACK=SMALL/FINITE/CONSLI，如果有摩擦，设置MU1，MU2四种接触四种接触 - 2(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CONTACTCTIDPID/TYPE/MU1SSIDMS

17、IDMORIENTSRCHDISADJUSTCLEARANCE DISCRETTRACK +SMOOTHSMSIDESMREG (1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)PCONTPIDGPADSTIFFMU1MU2CLEARANCESEPARATION FRICESL 切向不可滑移，法向可分离 CONTACT卡片TYPE=STICK四种接触四种接触 - 3(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CONTACTCTIDPID/TYPE/MU1SSIDMSIDMORIENTSRCHDISADJUSTCLEARANCE DISCRETTRACK +SMOO

18、THSMSIDESMREG 切向不可滑移，法向不可分离 CONTACT卡片TYPE=FREEZE TIE卡片四种接触四种接触 - 4(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CONTACTCTIDPID/TYPE/MU1SSIDMSIDMORIENTSRCHDISADJUSTCLEARANCE DISCRETTRACK +SMOOTHSMSIDESMREG CAD模型离散为有限元模型时，接触面上会存在一定的精度损失，导致主从面之间会存在小的穿透/间隙，ADJUST可以方便快速的去除这些穿透/间隙 ADJUST在模型开始计算前调整，不会产生任何应力应变 目的是消除单元离散导致

19、的小的穿透/间隙 可有效避免刚体位移 ADJUST不能用来处理大的网格错误 CONTACT及TIE卡片上都可设置ADJUST CONTPRM, ADJGRID, YES 可查看被调整的节点及调整后的位置坐标接触面穿透调整接触面穿透调整(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CONTACTCTIDPID/TYPE/MU1SSIDMSIDMORIENTSRCHDISADJUSTCLEARANCE DISCRETTRACK +SMOOTHSMSIDESMREG ADJUST 0.0 将穿透的从节点调整到接触面上 对于间隙小于等于ADJUST的从节点，调整到接触面上 ADJUST

20、 = AUTO 调整深度被自动设置为主接触面单元平均尺寸的5%接触面穿透调整接触面穿透调整 ADJUST = 0.0 只是将穿透的从节点调整到接触面上。接触面穿透调整接触面穿透调整 工程中常存在轴承和衬套间通过热胀冷缩实现过盈配合 过盈配合中轴承的半径大于衬套半径，两者之间通过协调变形来约束 OptiStruct可通过设置CLEARANCE来实现过盈配合，无论实际几何位置如何 CLEARANCE = 0，设置主从面之间的间距接触间隙、过盈接触间隙、过盈(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CONTACTCTIDPID/TYPE/MU1SSIDMSIDMORIENTSRC

21、HDISADJUSTCLEARANCE DISCRETTRACK +SMOOTHSMSIDESMREG (1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)PCONTPIDGPADSTIFFMU1MU2CLEARANCESEPARATION FRICESL 蓝色件与红色件之间存在0.1的几何间隙 CLEARANCE = 0.0，无论几何位置如何，认为主从面之间间隙为0，施加压力后立即产生接触力 CLEARANCE = 0.07，无论几何位置如何，认为主从面间隙为0.07，在主从面之间发生0.07的相对位移后，产生接触力接触间隙、过盈接触间隙、过盈Constant gap = 0.1m

22、mCLEARANCE = 0.0CLEARANCE = 0.07 壳体在有限元分析中采用抽中面方法，精确的几何信息已丢失 在接触分析中需要考虑壳体原始的厚度信息 可通过GPAD字段设置接触厚度，默认为壳单元厚度 有时候为了改善收敛，也会设置一个大于厚度的值 实体网格由于采用了真实的几何，不需要额外考虑接触厚度接触厚度接触厚度(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)PCONTPIDGPADSTIFFMU1MU2CLEARANCESEPARATION FRICESL 曲面法向在CAD中连续，但是FEM模型离散后不再连续。在离散过程中几何精度的损失会影响接触力的精度。SMOOT

23、HING可以改善这种情况下的精度损失 SMOOTH可对整个主从接触面的接触力进行修正，也可对局部区域的接触力进行修正 SMOOTH不适用于FREEZE类型接触，不能和ADJUST及CLEARANCE同时使用 SMOOTH只适用于S2S接触离散类型接触力光顺接触力光顺 - SMOOTH(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CONTACTCTIDPID/TYPE/MU1SSIDMSIDMORIENTSRCHDISADJUSTCLEARANCE DISCRETTRACK +SMOOTHSMSIDESMREG SMOOTH改善接触力接触力光顺接触力光顺Without Smoot

24、hingWith Smoothing OS-T: 1393 Basics of Contact Properties and Debugging练习练习 在接触分析中部件之间往往存在小的间隙，导致计算初期的刚体位移，计算难以收敛 CNTSTB通过引入预接触刚度来改善接触收敛 可对单个SUBCASE施加，也可对所有SUBCASE施加 对所有SUBCASE施加，PARAM EXPERTNL CNTSTB 只对单个SUBCASE施加，定义CNTSTB卡片，在SUBCASE中引用 PARAM EXPERTNL CNTSTB等效于APSTB=YES的CNTSTB卡片接触稳定接触稳定(1)(2)(3)(4

25、)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CNTSTBID APSTBLMTGAP S0S1 SCALETFRAC PARAM和CNTSTB卡片同时定义接触稳定接触稳定Model with SMDISP analysisModel with LGDISP analysisN2S(CGAPG core)S2S N2S S2S PARAM,EXPERNL,CNTSTBEffectiveEffectiveEffectiveEffectiveCNTSTB (bulk card referenced by subcase entry)IneffectiveEffectiveEffectiveEffecti

26、vePARAM,EXPERNL,CNTSTB+CNTSTB (BULK card referenced by subcase entry)Stabilization with the PARAM is effective.For the subcase that references BULK card CNTSTB, stabilization with the BULK card is effective;For other subcase, stabilization with the PARAM is effective.For the subcase that references

27、BULK card CNTSTB, stabilization with the BULK card is effective;For other subcase, stabilization with the PARAM is effective.For the subcase that references BULK card CNTSTB, stabilization with the BULK card is effective;For other subcase, stabilization with the PARAM is effective. 接触面间距小于LMTGAP时，施加

28、接触稳定刚度 接触面间距大于LMTGAP时，释放接触稳定刚度 LMTGAP默认值为主接触面特征长度 过大的LMTGAP会引入大的实际不存在接触力，影响计算结果接触稳定间距接触稳定间距 - LMTGAP 法向和切向接触稳定 法向 GAP LMTGAP: 切向 -5*STIFF f (t*) = S0 * (1 - t*) + S1 * t* SCALE：法向刚度放缩系数 TRFAC：切向刚度放缩系数接触稳定刚度接触稳定刚度(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)CNTSTBID APSTBLMTGAP S0S1 SCALETFRACS0S1f(t*)t* S0默认值为1.0

29、，在初始时刻预接触刚度最大 S1默认值为0.0，完全释放接触刚度 在接触分析中，有时候会存在接近计算完成时（0.981.0），计算难以收敛，将S1设置为一个小值（0.1）可以改善收敛。接触稳定放缩因子接触稳定放缩因子 S0 S1 接触稳定会引入额外的能量，如果太大会导致结果不正确 设置了接触稳定和NLOUT卡片，可输出模型的应变能和接触稳定能 应变能和接触稳定能以ASCII输出到#_e.nlm中 同时也输出到HyperView/HyperGraph的任务文件#_nlm.mvw中接触稳定能量接触稳定能量 UPW收敛准则满足，但是接触状态还在发生大的改变，需要进一步控制接触收敛接触收敛接触收敛 N

30、OPCL，一个增量步收敛时，允许节点法向接触状态发生改变的个数 在某些情况下，UPW收敛准则满足，但是接触状态（OPEN/CLOSE）还在发生大的改变，此时接触并没有收敛，需要采用NOPCL控制接触收敛 只适用于大变形LGDISP NOPCL=0表示增量步收敛时，节点法向接触状态不再发生变化 需要更多的迭代步，更长的计算时间，但是更准确的结果接触收敛接触收敛 NSTSL，增量步收敛时，节点切向接触状态（粘结/滑移）发生变化的个数 仅适用于大变形 PARAM LGDISP 1 NSTSL=0，接触收敛时，切向接触状态不再发生变化 对于摩擦力影响较大的模型效果显著接触收敛接触收敛 快速接触算法条件

31、 适用于仅涉及接触非线性，不包含材料非线性及几何非线性 N2S小滑移，无摩擦力 快速接触算法设置 设置无摩擦的N2S接触 激活PARAM,FASTCONT, YES 快速接触算法支持螺栓预紧 计算效率远高于一般的接触算法快速接触算法快速接触算法 自由度数：1031779 接触单元数：1681 单工况4CPU SMP 相同结果，效率提升10倍快速接触算法示例快速接触算法示例 CPU Time WALL Time RAM (MB) DISK(MB)传统接触算法 10:06:59 02:37:35165418739快速接触算法 01:02:55 00:18:48165434596 二阶接触友好单元可

32、改善界面接触力计算 二阶接触友好单元包括TETRA10，HEXA20，PENTA5 可采用PARAM, CONTFEL, YES激活 同一个模型中可同时包含以上几种单元 适用于弹性、弹塑性分析二阶接触友好单元二阶接触友好单元STANDARDIMPROVED 接触相关结果 接触压力 法向接触状态 切向接触状态 法向接触力 切向接触力 穿透 滑移距离 输出设置 CONTF (format, type) = option OptiStruct可在主从面上同时显示接触相关结果接触结果输出接触结果输出Contact Opening other solverContact Opening - OptiSt

33、ruct 法向接触状态 0：张开 1：闭合 切向接触状态 0：张开 1：滑移 2：粘结 滑移距离 相对滑移量的累积，不同于初始及最终位置的距离 从节点由位置1移动到2，再到3，滑移距离为d1+d2+d2接触相关结果接触相关结果123主面从节点从节点d1d2 输出设置 CONTF（OPTI）= ALL 输出文件 .cntf 输出内容 接触力 接触面积 仅适用于NLSTAT SUBCASE接触相关结果输出接触相关结果输出 - ASCII Contact Force(v) 矢量形式的接触力合力（总体坐标） Contact Force/Normal(v) 矢量形式的法向接触力（总体坐标） Contac

34、t Force/Tangent(v) 矢量形式的切向接触力（总体坐标） Contact Traction/Tangent Vector(v) 矢量形式的切向接触应力（总体坐标）H3D接触结果接触结果 Contact Deformation / Normal(s) 法向间隙、穿透（接触局部坐标） Contact Deformation / Tangent(s) 切向相对滑移量（接触局部坐标 ） Contact Status / Normal(s) 法向接触状态 Contact Status / Tangent(s) 切向接触状态 Contact Traction / Normal(s) 接触法向

35、压力（Pressure） Contact Traction / Tangent(s) 接触切向应力（接触局部坐标系）H3D接触结果接触结果.CNTF文件格式文件格式11234总的迭代次数接触力在总体坐标下x、y、z方向的分量接触力幅值接触面积法向、切向接触力23455 OS-T: 1520 Finite Sliding of Rack and Pinion Gear Model练习练习OptiStruct热接触热接触 接触界面不仅可以传力，也可以传热 OptiStruct支持接触界面热的传播 传热系数可以是接触面间隙的函数，也可以是接触压力的函数 可支持同时定义接触面间隙函数和压力函数 热力之

36、间可以实现双向耦合OptiStruct热接触热接触 PCONTHT KCHTC=AUTO，OptiStruct自动根据周围的单元计算传热系数 接触分析中可不必定义PCONT，不定义PCONT时也不必定义PCONTHT，此时等效于KCHTC=AUTO PCONTHT只支持N2S接触热接触卡片热接触卡片(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)PCONTHTPIDKCHTCKOHTCTPIDTCID KCHTC法向接触区域传热系数法向接触区域传热系数KOHTC法向分离区域传热系数，默认法向分离区域传热系数，默认1E-14*KCHTCTPID传热系数传热系数vs.接触压力曲线接触压力曲线TCID传热系数传热系数vs.接触间距曲线接触间距曲线热接触卡片热接触卡片1231基于接触间隙的热传导率2基于接触压力的热传导率3基于接触压力和间隙的热传导率 热力耦合计算流程OptiStruct热接触热接触Thermal analysis with linear contact/gap statusStructural