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接觸介面條件

a）不可互相侵入（運動學條件）

對於在接觸表面的任意點，不可侵入條件表面，當兩個物體發生接觸時，它們或者保持接觸，或者脫離。

b）接觸面的動力學條件是在不考慮接觸面積間的粘附或冷焊的情況下，法向接觸力為壓。OptiStruct中可設置法向分離/法向不分離接觸。即法向接觸力為壓力/接觸面間可穿傳遞拉力。由PCONT中SEPARATE參數控制。

OptisStruct中提供兩種方式定義接觸點對。

1）N2S

對於每個從節點，尋找一個主面，該從節點可通過主面的法向投影至主面上。找到主面後在從節點、主面間建立接觸單元。類似於GAP單元。每一個接觸單元有唯一的一個從節點，兩個接觸單元的從節點肯定不一樣，但是主面可能相同。

➡對於小滑移，N2S在內部直接轉換為CGAPG單元。CONTPRM CONTGAP YES，產生*.contgap.fem檔，導入HM查看GAP單元。

➡對於大滑移，N2S在內部轉換為不同於CGAPG的單元。CONTPRM CONTOUT YES，產生*.contout.fem檔，在當前模型中導入該檔，可查看RBE3+PLOTEL顯示的接觸單元。（S2S同上）

2）S2S

對每一個從節點查找相鄰的面。在每一個從節點相鄰的面上選擇樣本點（高斯點），採用N2S的方法查找相應的主面。在從面和主面之間建立接觸單元。

➡不同的S2S接觸單元有不同的從節點

➡不同的接觸單元間可共用一個或多個從面

注意點

下面是一些需要注意的內容，不要忽略哦~

1）N2S中為防止發生主面過多的侵入從面，從面上的網格應當細化以適應主面的形狀。S2S點對主從面的選擇相對不敏感。

2）S2S比N2S計算量大，但接觸力更光滑，易收斂。

3）當從面是節點集合（SET）時，必須採用N2S

4）當從面為實體單元集（SET）時，建議採用N2S。如果從面是實體單元面（SURF），可採用S2S

5）當主從面存在尖角，建議採用N2S。或將存在尖角的面拆分為多個面，建立多個S2S接觸。

a） 無摩擦

如果兩個物體的接觸面是絕對光滑的，或者互相間的摩擦可以忽略，這時分析可採用無摩擦模型，即認為兩接觸面間的切向摩擦力為零，即

b）有摩擦——庫倫（coulomb）摩擦模型

如果接觸面間的摩擦必須考慮，則應採用有摩擦的模型。OptiStruct中使用的是工程分析中被廣泛採用的庫倫摩擦模型。庫倫摩擦認為摩擦力不超過其極限值

摩擦模型的規則化

現實中如果切向力小於臨界值，主從面不會產生相對滑移。如果切向力等於臨界值，主從面發生相對滑移。但是當相對滑動速度反向，切向力也立即反轉，這容易造成數值計算中反覆運算的收斂困難。數值計算作了一定的近似。用規則化的摩擦模型（下右圖）來代替庫倫摩擦模型（下左圖）。在切向力小於臨界值時，接觸介面間允許出現小的相對滑移，在切向力達到臨界值時，相對滑移量為一用戶指定值FRICESL。預設情況下，FRICESL為接觸主面典型單元長度的0.5%。

在OptiStruct中,接觸介面如果涉及摩擦，會生成非對稱剛度陣，將採用非對稱求解演算法（MUMPS）求解。摩擦力會顯著影響模型的收斂性，涉及摩擦的模型求解計算量也比較大。在接觸介面的摩擦力影響不大時，可以關閉非對稱求解器(PARAM, UNSYMSLV, NO)。

摩擦係數

在OptiStruct中，通過PCONT卡片中的MU1和MU2設置靜/動摩擦係數。

接觸問題的求解

拉格朗日乘子法

用拉格朗日乘子法引入接觸約束條件可以精確滿足約束條件，但是有兩個不足之處：

1）方程自由度數增加

2）求解方程的係數矩陣中包含零對角元素

罰函數法

用一個彈簧施加接觸協調條件稱為罰函數法。彈簧剛度或接觸剛度稱為罰參數。罰函數法允許一定侵入。當發生侵入時，彈簧開始起作用，將主從面推開，直至不再有侵入(主接觸面可以侵入從接觸面，反之不可)。只有產生侵入時，才有接觸力。接觸力和侵入量成比例。罰函數法的優缺點正好和拉格朗日乘子法相反，優點是不增加問題的自由度，係數矩陣保持正定，缺點是：

1）約束條件近似滿足

2）罰參數（接觸剛度）增大，可提高精度（現實接觸體間不可能發生侵入，接觸剛度無窮大），但可能會使相互接觸的兩個物體的相對運動發生虛假的反向，造成收斂困難

STIFF設置接觸剛度

STIFF=AUTO，接觸剛度根據主從面的剛度自動計算。

STIFF設置為正實數，用戶自訂接觸剛度

STIFF=SOFT/HARD，自動設置為一個較小/大的接觸剛度

STIFF=負實數，在STIFF=AUTO計算的接觸剛度上放縮|STIFF|

其他參數

下面介紹正在設置接觸約束時需要用到的一些參數。

ADJUST穿透調整

CAD模型離散為FEM模型時，接觸面上會存在一定的精度損失，導致了主從面之間會存在小的穿透/間隙，ADJUST正在模型開始計算去除這些穿透/間隙，不會產生任何應力應變。

➡CONTACT及TIE卡片上都可設置ADJUST

➡CONTPRM, ADJGRID, YES 可查看被調整的節點及調整後的位置座標避免剛體位移

➡ADJUST > 0.0

—將穿透的從節點調整到接觸面上

—對於間隙小於等於ADJUST的從節點，調整到接觸面上

➡ADJUST = AUTO

—調整深度被自動設置為主接觸面單元平均尺寸的5%

➡ADJUST = 0.0

—只是將穿透的從節點調整到接觸面上

CLEARANCE接觸間隙

設置主從面之間的間距/過盈量

➡CLEARANCE >= 0，設置主從面之間的間距

➡CLEARANCE < 0，設置主從面之間的過盈量

➡CLEARANCE = 0.0，無論幾何位置如何，認為主從面之間間隙為0，施加壓力後立即產生接觸力

GPAD接觸厚度

有限元分析中殼體往往是抽取的三維實體單元的中面，在接觸分析中需要考慮殼體的厚度，默認GPAD=THICK。如果不想採用殼體厚度，也可設置一個合適的值，GPAD=REAL。

SRCHDIS搜索距離

當從節點與主面的間距小於SRCHDIS時候，從節點和主面間建立接觸單元，否者不建立接觸單元。

➡對於SMALL SLIDING，只是在計算的第一個增量步檢查主從面之間的間距是否小於SRCHDIS，間距大於SRCHDIS的從節點在真個計算過程中都不會接觸

➡對於FINITE SLIDING，在每個增量步檢查主從面之間的間距是否小於SRCHDIS，間距大於SRCHDIS的從節點在當前增量步中不會產生接觸

➡對於CONSLI SLIDING，在每個反覆運算步中都會檢查主從面之間的間距。

SMOOTHING接觸力光順

曲面法向在CAD中連續，但是FEM模型離散後不再連續。在離散過程中幾何精度的損失會影響接觸力的精度。SMOOTHING可以改善這種情況下的精度損失。

➡SMOOTHING僅適用於S2S接觸，可對整個主從接觸面的接觸力進行修正，也可對局部區域的接觸力進行修正

➡SMOOTHING不適用於FREEZE類型接觸，不能和ADJUST及CLEARANCE同時使用

CNTSTB接觸穩定

CNTSTB可改善接觸分析中的不穩定，如初始時刻接觸面之間小的間隙導致計算在初始時刻難以收斂。

➡可對單個SUBCASE施加，也可對所有SUBCASE施加

➡兩種施加方法

1）PARAM, EXPERTNL, CNTSTB

2）直接定義CNTSTB卡片

➡CNTSTB通過在接觸切向和法向施加較小阻尼彈簧來改善接觸的收斂性

➡PARAM EXPERTNL CNTSTB等效於預設參數的CNTSTB卡片

➡LMTGAP引入切向/法向接觸穩定剛度

➡接觸面間距小於LMTGAP時，施加接觸穩定剛度

➡接觸面間距大於LMTGAP時，釋放接觸穩定剛度

➡LMTGAP預設值為主接觸面特徵長度

➡過大的LMTGAP會引入大的實際不存在接觸力，影響計算結果

➡改進收斂將s1設置為0.1

MODCHG模型改變

基於單元/接觸的模型改變，使用該參數需要同時啟動PARAM，HASHASSM，YES。該參數只能用於非線性工況。

接觸相關結果

➡接觸壓力

➡法向接觸狀態

➡切向接觸狀態

➡法向接觸力

➡切向接觸力

➡侵入量

➡滑移距離

➡輸出設置

CONTF (format, type) = option (CONTF（OPTI）= ALL)

 輸出檔cntf

輸出內容: 接觸力;接觸面積；

Cntf檔案格式

➡OptiStruct可在主從面上同時顯示接觸相關結果

這是一個練習，我們需要完成以下內容：

1. 去除過盈接觸

2. 恢復過盈接觸

3. 查看結果，結果是這樣的⬇

那麼，跟著我們來操作吧~