LS-DYNA中的接触界面模拟

LS-DYNA中的接触界面模拟

LS-DYNA中的接触允许从节点与主段间压缩载荷的传递。如接触摩擦激活，也允许切向载荷的传递。Coulomb摩擦列式用来处理从静到动摩擦的转换，这种转换要求一个衰减系数、静摩擦系数大于动摩擦系数。

关于接触搜索方法，这里仅给出几个简单的要点，详细描述见Theoretical Manual of LS-DYNA。 DYNA中有两种搜索方法：Incremental Search Technique与Bucket Sort。 Incremental Search Algorithms

搜索方向 仅在主段正方向从节点的穿透

搜索步骤 对每一个从节点的：找出最接近的主节点；搜索相邻的主段；穿透检查；施加作用力。

主面要求 主面连续 特点 简单、速度快 Global Bucket Sort

搜索方向 主面正、负方向检查穿透

搜索步骤 搜索接近的主段（不止一个）；局部利用Incremental Search确定最接近的主段；穿透检查；施加作用力。 主面要求 主面可以不连续

特点 非常有效，但耗时大所有的非自动 LS-DYNA中的接触类型大体上可以分为五大类： One-Way Contact （单向接触） Two-Way Contact（ 双向接触） Single Contact（单面接触） Entity

Tied Contac（固－连接触）

在以上接触类型中，前四种接触类型的接触算法均采用罚函数法。固－连接触有的采用的罚函数法，有的采用动约束法，少部分采用分布参数法。 4.1 One-Way Treatment of Contact

One-Way、Two-Way是对接触搜索来讲的。One-way仅检查从节点是否穿透主面，而不检查主节点。在Two-Way Contact中从节点与主节点是对称的，从节点与主节点都被检查是否穿透相应的主面或从面。

LS-DYNA中的_Node_To_Surface接触类型都属于单向接触，另外还有特别注明为单向接触的_Surface_To_Surface接触类型： *Contact_Nodes_To_surface

*Contact_Automatic_Nodes_To_Surface

*Contact_Froming_Nodes_To_Surface（自动接触类型、主要用于金属拉压成形） *Contact_Constraint_Nodes_To_Surface（现已很少用） *Contact_Eroding_Nodes_To_Surface *Contact_One_Way_Surface_To_Surface

Contact_One_Way_Automatic_Surface_To_Surface

由于在单向接触中，仅有从节点被检查是否穿透主面，而不考虑主节点，因此在使用时必须注意，应保证在接触过程中主节点不会穿过从面。同样的原因，单向接触要比双向接触运行速度快得多，因此仍被广泛应用。在以下情况中使用单向接触是合适的： 主面是刚体

相对细的网格（从）与相对平滑、粗的网格（主）接触

beam_to_surface、 Shell edge_to_surface接触。beam node、Shell edge node作从点。 在接触分析中，由于问题的复杂性，判断接触发生的方向有时是很困难的，因此分析中应尽量使用自动接触（不需要人工干预接触方向）。但当面的方向在整个分析过程中都能确定的情况下，下面的非自动接触类型是非常有效的： *Contact_Nodes_To_Surface(5)

*Contact_One_Way_Surface_To_Surface(10) *Contact_Constraint_Nodes_To_Surface(18) *Contact_Eroding_Nodes_To_Surface(16) 4.2 Two-Way Treatment of Contact

主、从面的定义与算法处理上是完全对称的。因此主面、从面可以随意定义。计算资源大约是单向的2倍。LS-DYNA中绝大多数_Surface_To_Surface接触都是双向接触类型。 双向接触除对主节点的搜索外，其它方面同单向接触是完全一样的。与前述接触类型5、18、16相对应的双向接触为： *Contact_Surface_To_Surface(3)

*Contact_Constraint_Surfaces_To_Surface(17) *Contact_Eroding_Surface_To_Surface(14)

在Crash Analysis中，*Contact_Automatic_Surface_To_Surface(a3)推荐使用。在金属的拉压成形分析中推荐使用*Contact_Froming_Nodes_To_Surface。 4.3 Single Surface

单面接触是LS-Dyna中应用最为广泛的接触类型，尤其在 Crashworthiness应用中。在这中类型中，从面一般定义为Part或PartSet ID。各Part间及自身Part间的接触都考虑。如果建模精确，该接触是可信、精确的。在单面接触中，壳厚偏置总是考虑的，因此建模时不能有初始穿透存 在。 单面接触有：

*Contact_Single_Surface(4，不推荐使用) *Contact_Automatic_Single _Surface(推荐) *Contact_Automatic_General *Contact_General_Interior *Contact_Airbag_Single_Surface

对于Crash Analysis，推荐使用*Contact_Automatic_Single _Surface(13)。这个接触类型其性能随DYNA版本的提高不断改善。

4.4 Tied Contact(Translational DOF only, No Failure, No Offset)

固－连接触用来将从节点约束、限定在主面上。这种接触类型一般是非对称的，因此定义主、

从是要符合§2中描述的一般规则。在这种类型的接触中，主、从接触面最好不要以Parts ID形式输入，应采用node/segment的形式。

固－连接触类型丰富，采用的接触算法也不一致，下面分别介绍。 Translational DOF only, No Failure, No Offset

这种接触仅约束从节点的平动自由度，且不考虑接触的失效，不允许从节点的偏置。如果从节点与对应的主段间有微小的距离存在，则采用正交投影的方法将从节点移动到主面上。因此，初始几何构形可能有微小的改变。

这种类型接触采用动态约束算法，因此不能将刚体约束到可变形体或刚体。

如下两个命令是常用的固连接触。这两种接触在数值处理上是完全一样的，所不同的仅是输入数据格式。

*Contact_Tied_Nodes_To_Surface(6) *Contact_Tied_Surface_To_Surface(2) Translational DOF only, No Failure, With Offset

这种接触采用罚函数算法，允许从节点与主面间偏移（主、从面间存在微小的距离）存在，可以用于刚体相应的约束。 与上述接触类型2、6对应的为

*Contact_Tied_Nodes_To_Surface_OFFSET(O6) *Contact_Tied_Surface_To_Surface_OFFSET(O2)

由于从节点的偏置，可能会引起附加的动量矩。但在这种类型的接触中，不考虑偏置引起的动量矩。因此，主、从面必须相当的接近。

Translational DOF & Rotational DOF, With Failure, No Offset 采用动态约束算法。

Translational DOF & Rotational DOF, With Failure, With Offset 罚函数法。

Translational DOF Only, With Failure, With Offset 动态约束算法。 5 接触刚度的计算

在基于罚函数算法的接触类型中，目前LS-DYNA有两种计算主、从面间接触刚度的方法。 5.1 Penalty-base Approach(SOFT=0)

该算法是LS-DYNA计算接触刚度的缺省方法。它利用接触段的尺寸与其材料特性来确定接触刚度。当两个接触面的材料刚度参数相差不大时，该方法是很有效的。但当两个接触面的材料刚度相差很大时，由于接触刚度采用主、从面中较小的刚度，而使接触失效。 对于Crash分析，除非先验证明没有问题，否则一般不使用SOFT=0。 5.2 Soft Constraint-based Approach(SOFT=1&2)

计算接触刚度时，综合考虑了发生接触的节点之质量与整体时间步长，以保证接触的稳定性。这样的处理，对于材料性质相差悬殊的接触问题是非常合适的。

Soft=1与Soft=0算法除刚度计算外，其它考虑是完全一致的。当Soft=1时，采用下式计算接触刚度k（单向接触）： k = max(SLSFAC*SFS*k0, SOFSCL*k1)

其中：k0～根据材料弹性模量与单元尺寸确定的接触刚度； k1～根据节点之质量与整体时间步长来确定接触刚度。 对于Two-Way型接触，用SFM代替上式中的SFS。 5.3 Segment-based Contact VS. Standard Contact

与Soft=0、1（以下简称“标准算法”）不同，Soft=2是一种基于段（Segment based）的接触算法。在标准算法中，检查从点穿透主段与否而施加罚力与从点及相应的主点；而在段接触算法中，直接检查段是否发生相互穿透而施加罚力与相应段的节点。 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： *CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE *CONTACT_NODES_TO_SURFACE

*CONTACT_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE

利用参数SHLTHK确定是否考虑“厚度偏置”，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