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Hyperworks Optistruct接触非线性分析的切向接触条件

2020年12月10日 CAE 阅读 1,066 views 次

在文章《Hyperworks Optistruct接触非线性分析的法向接触条件》中介绍了Optistruct求解器接触非线性分析的法向接触条件,本文将介绍接触的切向接触条件。

1、摩擦力条件

a) 无摩擦

如果两个物体的接触面是绝对光滑的,或者互相间的摩擦可以忽略,这时分析可采用无摩擦模型,即认为两接触面间的切向摩擦力为零,即:

b)有摩擦——库伦(coulomb)摩擦模型

如果接触面间的摩擦必须考虑,则应采用有摩擦的模型。OptiStruct中使用的是工程分析中被广泛采用的库伦摩擦模型。库伦摩擦认为摩擦力不超过其极限值。

2、摩擦模型的规则化

现实中如果切向力小于临界值,主从面不会产生相对滑移。如果切向力等于临界值,主从面发生相对滑移。但是当相对滑动速度反向,切向力也立即反转,这容易造成数值计算中迭代的收敛困难。数值计算作了一定的近似。用规则化的摩擦模型(下右图)来代替库伦摩擦模型(下左图)。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,相对滑移量为用户指定值FRICESL。默认情况下,FRICESL为接触主面典型单元长度的0.5%。

在OptiStruct中,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(MUMPS)求解。摩擦力会显著影响模型的收敛性,涉及摩擦的模型求解计算量也比较大。在接触界面的摩擦力影响不大时,可以关闭非对称求解器(PARAM,UNSYMSLV, NO)。

在发生下列等式时,接触面没有切向相对滑移,对应OptiStruct中的粘结(stick)模型:

在发生下列等式时,接触面将发生切向相对滑移,对应OptiStruct中的滑移(slide)模型:

OptiStruct中相对滑移分为小滑移和大滑移。对于小滑移,主从面之间的相对滑移量小于一个单元,接触搜索只是在计算最开始执行一次,以后的计算都是基于最开始建立的接触对;对于大滑移,主从接触面之间滑移量大于一个单元,接触对在每一个增量步中重新计算。大滑移可通过设置TRACT=FINITE/CONSLI实现。

大滑移需激活几何非线性,采用HASH刚度阵组装方法(PARAM,HASHASSM,YES)。非对称刚度阵求解算法支持大位移的S2S和N2S,不支持小位移的N2S。

3、摩擦系数

为了更好地描述摩擦现象,有时对应上面两种不同状态,摩擦系数μ,可以分别用静摩擦系数μs和动摩擦系数μk表示,且μk<μs。但是一般简便起见都假设μ=μs=μk.

在OptiStruct中,通过PCONT卡片中的MU1和MU2设置静/动摩擦系数。

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