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2016-11-15 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
摘要:
本文的目的是介紹dyna中一種新型的接觸:smooth contact(光滑接觸),傳統(tǒng)的接觸基于節(jié)點(diǎn)和單元,光順接觸從剛體網(wǎng)格擬合出一個新的光順面,新的傳統(tǒng)計(jì)算就基于這個擬合出來的面。此新接觸算法有更高精度的接觸力計(jì)算并可以提高回彈計(jì)算精度。此外,還可以降低結(jié)果對用戶的依賴(因用戶不同,結(jié)果亦不同)。
引言:
對接觸界面上的滑移和沖擊處理一直是lsdyna的一項(xiàng)重要功能。接觸面可以由三角形和四邊形網(wǎng)格以任意順序定義為三維的接觸面的兩邊,一邊接觸面定義為從面,另一面定義為主面,這兩個面上的節(jié)點(diǎn)分別為從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)。
傳統(tǒng)的成形接觸
在金屬板料成形沖壓仿真中,一個特別的接觸算法即*CONTACT_FORMING...被采用,此接觸算法基于罰函數(shù)法,換言之,此種算法,在所有穿透節(jié)點(diǎn)和接觸面之間有一個法向界面彈簧,界面接觸剛度與法向指向接觸面的單元的接觸剛度數(shù)量級一致(The interface stiffness is chosen to be approximately the same order of magnitude as the stiffness of the interface elemnet normal to the interface)。相應(yīng)地,計(jì)算時間步不受接觸面的影響。然而,如果接觸壓力太大,會發(fā)生不可接受的穿透,此時可調(diào)高接觸剛度或者縮小時間步,解決穿透太大的問題,使我們可以繼續(xù)使用罰函數(shù)法。
罰函數(shù)法基于三角形和四邊形單元,而不是一個光滑面。當(dāng)曲率太大時這可能會導(dǎo)致明顯的數(shù)值噪音。圖1是一個夸張的例子用于示例穿透接觸算法的穿透問題。在圖1中,我們假定主面一側(cè)是一個光滑曲線,在單元劃分中被劃分為三段,節(jié)點(diǎn)A和B為從節(jié)點(diǎn),理論上講,節(jié)點(diǎn)A應(yīng)該接觸光滑曲面(光滑曲線表示),實(shí)際上傳統(tǒng)的接觸算法不會發(fā)現(xiàn)這一接觸,知道節(jié)點(diǎn)移動靠近線段,如節(jié)點(diǎn)B的位置,此時從節(jié)點(diǎn)被認(rèn)為已與主面接觸。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A移動到A‘位置是,穿透被檢測到,但是穿透可能會非常大。作為結(jié)果,一個巨大的接觸力將會作用到節(jié)點(diǎn)A‘,這會導(dǎo)致接觸力的巨大跳動。當(dāng)接觸力過大時,計(jì)算本身也是不平穩(wěn)的。
圖1 傳統(tǒng)接觸算法穿透示例
另一個與傳統(tǒng)接觸算法想關(guān)聯(lián)的問題是接觸法向的計(jì)算。在傳統(tǒng)接觸算法中,每一個主segment(element)是獨(dú)立的,因此,不可能有相鄰單元的信息。接觸力總是發(fā)生在主面的法向方向。如果曲率不大,這一問題還不嚴(yán)重,如果曲率較大,當(dāng)從節(jié)點(diǎn)運(yùn)動到單元的頂點(diǎn)區(qū)域時,一個小的位置的改變,從節(jié)點(diǎn)可能會與不同的主面發(fā)生接觸,接觸力的法向會基于不同的主面單元,作為結(jié)果,殘余接觸力計(jì)算會有一個明顯的攝動(變化)。這在圖2中可以明顯的看出來。
圖2 接觸力法向變化示例
從上面的分析可知,傳統(tǒng)的接觸算法有明顯的缺陷。它可以導(dǎo)致明顯的錯誤在計(jì)算穿透和接觸法向。作為結(jié)果,應(yīng)力分布以及回彈會受到負(fù)面影響。因此,研究一個改進(jìn)的接觸算法成為一個熱門的研究課題。
光滑接觸
在20世紀(jì)90年代,人們開始注意傳統(tǒng)接觸算法的不光滑性。首先,一個基于CAD曲面(IGES和VGA格式)應(yīng)用于LSDYNA,使用這種方法,用戶只是應(yīng)用CAD曲面定義接觸面。
這種方法由于其自身的限制,只有有限的應(yīng)用。首先,CAD曲面通常是not clean(你們懂的!),有間隙,小碎面,重疊等。這些‘dirty’CAD曲面使得接觸搜索變得異常困難,其次,計(jì)算速度相比傳統(tǒng)接觸方法也是慢的多,通常要多花6倍的CPU時間,最后,在典型的CAD曲面中包含不同的實(shí)體,要支持這些實(shí)體,還是相當(dāng)?shù)睦щy。作為結(jié)果,基于曲面的接觸只有之實(shí)驗(yàn)室里面還有一些用途。
最近,LSTC發(fā)展了一種新的接觸算法以滿足要求,這這種方法中,曲面片擬合考慮了附近單元的信息,曲面片邊界處有了G1聯(lián)系性,傳統(tǒng)計(jì)算將基于擬合的曲面片。
曲面擬合
為了滿足健壯性,曲面擬合(創(chuàng)建曲面擬合單元拓?fù)?必須是可靠的因?yàn)槿魏蔚那嫒毕荻紩绊懡佑|力的計(jì)算.LSTC獨(dú)立發(fā)展了一個邊界檢測算法,這對曲面擬合相當(dāng)關(guān)鍵。B樣條曲面用來描述曲面片。我們已經(jīng)運(yùn)行了很多數(shù)值測試來證明曲面擬合算法的健壯性。圖3顯示了一些曲面擬合的結(jié)果,從中可以清楚的表面新曲面可以準(zhǔn)確的表示真實(shí)的光滑曲面。
圖3 不同單元的曲面擬合
光滑接觸算法的有效性
在曲面擬合算法充分測試后,LSTC發(fā)展了一種新的接觸搜索算法,基于曲面片。有了這個新算法,光滑接觸便的健壯和有效(僅僅10%-20%多余計(jì)算時間)
光滑接觸已經(jīng)用于LSDYNA的MPP以及SMP版本。要激活光滑接觸,只需要包含"_smooth"在傳統(tǒng)的接觸定義中,而其他關(guān)鍵字不變。
為了使用光滑接觸,對于主面有一些單元質(zhì)量要求。首先,不允許有重疊單元。第二,單元法向要一致,最后,單元是要相連接的。使用當(dāng)前的任何前處理程序,要實(shí)現(xiàn)上面這些要求還是比較容易的。(注:Dynaform現(xiàn)在定義主面是用Part set的形式來定義的,若用光滑接觸,就得改用part了。)
很多測試被設(shè)計(jì)用于測試這一代碼,這里有一個小而有代表性的例子,這這一測試中,在90度的倒角區(qū)域只有一個單元,測試考題是 NUMISHEET‘93 U-channel。在第一次計(jì)算中,未使用光滑接觸,因此成形中可以觀察到板料形成了一個尖角,在圖3中可見,在第二個計(jì)算中,使用了smooth選項(xiàng),在圖4中可見,成形時板料沒有隨工具網(wǎng)格的形狀,而是隨一個光滑面。
圖3
圖4
一些依賴用戶的結(jié)果
從前面的學(xué)習(xí)中,獲得了一些優(yōu)化的參數(shù),有了這些優(yōu)化參數(shù),回彈預(yù)測變的更加的穩(wěn)定和精確。然而,一些優(yōu)化參數(shù)對新材料需要修改,因此,個人的經(jīng)驗(yàn)對最終的預(yù)測有著明顯的影響。
一個很重要的參數(shù)是SLSFAC,它定義了接觸剛度。如果使用一個較大的值,接觸可能過于剛硬而導(dǎo)致回彈計(jì)算值偏小,而如果使用一個較小的值,可能會導(dǎo)致較大的穿透而同樣影響回彈預(yù)測。圖5顯示了NUMISHEET93 U-channel回彈角預(yù)測和SLSFAC參數(shù)值之間的關(guān)系。實(shí)際上,大部分依賴用戶的回彈預(yù)測值的變化都與SLSFAC值有關(guān)。
圖6
另外一個對回彈有重要影響的參數(shù)就是剛體網(wǎng)格質(zhì)量。在圓角部分的單元數(shù)量對回彈有明顯的影響。我們發(fā)現(xiàn),在90角上最少6個單元是必要的。
使用了光滑接觸后,光滑曲面片別用于接觸力的計(jì)算。作為結(jié)果,圓角區(qū)域的剛體網(wǎng)格的數(shù)量可預(yù)見地對回彈預(yù)測結(jié)果的影響會縮小,接觸力計(jì)算中的噪音也會顯著變小。為了證明這一點(diǎn),一個間的測試。還是使用NUMISHEET 93 U-channel,在這次模型中,剛體單元的網(wǎng)格尺寸每次都改變,90度圓角上的單位數(shù)量從1個變到10個,表1顯示了90度圓角上只有一個單元回彈較的預(yù)測值是19.9度,而其他預(yù)測都是在21度左右,因此可以看到,光滑接觸可以明顯的較少網(wǎng)格數(shù)量對結(jié)果的影響。
表1
使用光滑接觸,與傳統(tǒng)接觸相關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)都能夠顯著的克服。可以預(yù)見檢查力和方向的計(jì)算的變化都會明顯變小。此外,穿透節(jié)點(diǎn)也可以更早地被發(fā)現(xiàn)。因此,也可以避免大穿透。相應(yīng)地,接觸剛度或者SLSFAC,對接觸力計(jì)算的影響也會變小。我們再次使用NUMISHEET 93 U-channel例子來證明光滑接觸的這一優(yōu)點(diǎn)。在這次學(xué)習(xí)中,使用了三個例子,case A 使用傳統(tǒng)接觸算法,網(wǎng)格初始尺寸較大,并開啟了單元細(xì)分選項(xiàng);case B 使用光滑接觸,使用較粗的初始板料單元,開啟網(wǎng)格細(xì)分選項(xiàng);case C 使用光滑接觸,板料初始單元較細(xì)且關(guān)閉網(wǎng)格細(xì)分。SLSFAC值分別為0.1,0.05,0.01.結(jié)果表2所示。使用光滑接觸,回彈結(jié)果的變化較大,從4.4度到11度。而使用光滑接觸的case B 和case C,則更加穩(wěn)定。從這一學(xué)習(xí)中,可見回彈結(jié)果對SLSFAC的依賴也變小了。而接觸力的計(jì)算(凸模力)也變的非常平滑。在case B 中,因?yàn)槭褂昧藛卧?xì)分,一些小的振動依然存在。
表2
圖8
圖9
從上面這些計(jì)算中,可見光滑接觸顯示出更高的精度并降低了結(jié)果對人的依賴性。
使用光滑接觸,會多消耗10%-20%的CPU時間。
結(jié)論
提出的曲面擬合算法是健壯的,可以輕松的擬各種剛體單元。使用光滑接觸,穿透噪音可以顯著降低。接觸力的計(jì)算也會更加準(zhǔn)確。作為結(jié)果,接觸剛度的影響會降低,回彈預(yù)測的精度會得到提高。使用這一技術(shù),結(jié)果對人的依賴減少到最小化,依賴于人的錯誤也降低到最小化。
張劍翻譯,不準(zhǔn)確之處請見諒,歡迎指出不足之處,以便改進(jìn)。
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