接触问题及其解决方法

接触问题及其解决方法

综述

•本技术手册提供了在Marc和Mentat中使用接触经常遇到的问题的解决方法。

•MARC用直接约束法处理接触问题，在整个过程中跟踪运动接触体的轨迹，当发生接触时，使用边界条件直接约束运动体——两者的运动约束转化成了节点自由度的约束和节点力的约束。如果程序能够预测出什么时候发生约束，这种方法非常准确。在Marc中通过CONTACT选项执行这个程序。因为不需要预先知道那里发生接触，所以在本程序中不用提前指定参考单元，可以模拟复杂的接触。

•Marc中接触的详细用法见《程序输入手册》“接触”一章。

•Marc中接触的详细求解过程见《理论手册》（卷A）中的附录。

•下面对接触的用法分别做一下解释：

接触分析的设置

•在接触分析中最常见的问题怎样解决？下面的介绍可能对你有所帮助：

a. 增加LOADCASE中的载荷步数。

b. 确保在JOBS的INITIAL LOADS中包括固定边界条件。

c. 接触分析允许两个或多个接触体之间发生任意大的相对变形。在一些分析中的

变形不可避免地会超出几何线性分析中小变形的设定范围（最大旋转角度的正

切值约定于角度本身，使用弧度值）。如果是这种情况，激活LARGE DISP参

数。

d. 线-线之间的接触会出现数值问题，导致收敛困难。如果他们落入接触区域的容

限之内，Marc的接触算法将会设置接触的节点。容限缺省值设置为定义的所有

接触体的最小单元边长的1/20。在有些情况下，这个值太大了，尤其是线-线接

触。线-线网格不是拓扑相等的，可能一个或另外一个网格上的多数节点落入接

触区域容限内，人为设置接触应力。在接触区域容限设置时推荐使用偏离系数。

而且下降的接触区域容限推荐使用系数5或10。接触体使用解析选项，接触的线

或面使用nurbs曲线或coons曲面，很可能消除这个问题。一种特殊情况是接触

表面上的网格是连续的。即一个网格上的节点和其他网格上的节点一致。在这

种情况下，因为所有的节点都是一致的，不应该设置人为应力。但是，实践证

明如果接触体定义为离散的而不是解析的可能生成人为应力。

e. 通过运行一个虚构的一个增量步（没载荷）的载荷工况，看在只有接触的条件

下是否有应力产生，调试接触模型。这将提供任何几何问题或解析接触定义（如

果使用）的信息。

f. 在有边界条件的单元节点，当发生接触时，边界条件自动消失，代之接触条件。

如果单元后来不再接触，Marc不会恢复消失了的边界条件，这可能会导致刚体

模态。

g. 确保在RUN窗口下的“Extended Precision Input File”选项被激活——这有很多不

同：如果单元的坐标系已经输入单位系统，这些单位导致很多明显数值，趋向

于产生机器四舍五入误差。改变单位使尺寸更“大”，即使用mm而不是m。

h. 将“iterative increment splitting”（第一个接触片的域7）设置为3（在JOBS“iterative

penetration”检查）。这是2001版本中的新方法，在很多情况下，优于先前的增

量分离程序。在2003版本中这很可能变成缺省值。推荐使用这个设置。在旧的

增量分离程序中当接触即将发生时，增量被分离，不幸地是这会导致输出文件

中“多重”变量的混乱。使用新的功能在同一个增量中考虑了每个方面。

注意在2001版本中使用自动增量加载（弧长）时，因为存在一个缺陷，不能使

用迭代穿透探测。

i. 缩放比例：因为当使用米做单位时，一些穿透的数值量级非常小。为了避免圆整

误差也许必须将模型量纲（和模型所有相关的数量，如杨氏模量等）由米改为

毫米。

j. 网格重划分：修改接触区域周围的网格，减小节点与节点重合的可能性。一个法向穿透公式可以处理这种情况执行，但是对于存在摩擦的问题处理起来更困难

些，使用一个调和公式虽然可以减小这种情况，并不能完全消除它。

k. 如果在分析过程中只有几个接触节点，如果使用大的载荷增量步在迭代过程中接触可能丢失（即，一个接触体完全穿过另外一个）。推荐通过细分接触面两

边的网格来消除这个问题。

•怎么样探测在特定方向上或大的相互渗透的接触？下面几条可能有所帮助：

a. 在输出文件中包括“contact”输出(PRINT 5)给出接触细节。

b. 包括接触节点并不是排除接触片——在拐角处，可能包括角点——但是除非接

触片是在没有必要的90度角的片段周围将被删除，否则是接触的。

c. 调用反复接触探测。

d. 错误指定接触容限。

•迭代不收敛？在橡胶材料的接触中，这可能是由于摩擦系数定义的太小或没有定义。在一些几何外形中，这可能导致无限循环，比如橡胶在两个可能的平衡状态振荡。此时禁止使用一个小的摩擦系数。

•当只在一个方向上约束接触体时，施加的压力载荷与接触法向力和摩擦力平衡，也会导致收敛困难。在数值上，为了实现平衡可能引起大量的循环。如果没有摩擦力可能能够收敛的很好，因为摩擦力的增加导致接触非线性明显增加——这些附加的摩擦剪切力可以引起接触体运动——如果这些剪切力没有外部力平衡（正如它们在每个增量步肯定不会在第一个迭代步得出一样），这可能导致循环——如果在空间内没有限制这个分量的力，情况将恶化。出现这种情况，推荐将压力载荷改为确定位移。通过这种方式，因为指定了接触体的位置，平衡摩擦容易多了。作用力通过反作用力直接得到。为了更容易的得到这些力，可以将确定位移边界条件改为设置刚性接触平面——同样限定平面位移。在Mentat中，直接得到刚性平面上的作用力，作为一个单独的值。改变只是为了取消压力载荷，建立确定位移边界条件，这可以通过载荷表施加到所有需要的节点上。•拉伸接触力大于指定的分离力应力

a. 这可能是选择“suppress chattering”选项或减少缺省的允许分离的值9999引起的

结果。

b. 根据节点应力指定摩擦力。

c. 根据力指定分离。

d. 将迭代收敛容限改为0.01，使之更严格，既指定残余力范数也指定位移范数。