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ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题
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ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题

介绍

作者:吴华春 上海安世亚太结构应用工程师

本文共计1559字,阅读时间预计5分钟


编者按

在ANSYS LS-DYNA中,经常遇到Sliding Energy异常,作者在本文中分析了计算模型常出现的2种情况——初始穿透导致的Sliding Energy异常和由于SEGMENT接触导致的Sliding Energy异常,并给出了对应的解决方法。

问题提出

负的滑移能存在2种情况:

■ 第一种情况:GLSTAT中的滑移能在初始状态就出现负值,如图-1所示。

ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题

▲ 图-1 第一种能量异常图


■ 第二种情况:CAE工程师在利用ANSYS LS-DYNA进行计算时,很多时候会碰到图-2所示的状况,严重的能量不平衡。内能、滑移能在计算前期表现还算正常,但是到计算后期,内能、动能、滑移能严重偏离,导致整个模型能量异常,计算结果不可信。

ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题

▲ 图-2 第二种能量异常图


解决方法

第一种情况的解决方法(初始穿透)

在仿真模型中出现初始穿透,导致初始的滑移能为负值。仿真穿透模型如图-3所示。

产生机理:LS-DYNA在进行接触搜索时,发现存在网格穿透问题,需要把穿透部分的节点移到不穿透的位置,这可以在LS-DYNA软件中设置。如图-4所示,当把初始穿透清除后,其滑移能和整个模型能量表现正常(如图-5所示)。

ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题

▲图-3 存在初始穿透模型

ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题

▲ 图-4 清除初始穿透模型

ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题

▲ 图-5 第一种能量正常图

初始穿透解决方法有以下几种

① 手动调整单元节点  

在进行模型网格划分和设置零件厚度时必须确认是否存在干涉,即必须考虑壳单元的接触厚度。


如果发生穿透,可以从计算出的message或d3hsp文件中对关键字“initial penetrations”进行搜索,找到相关单元,然后调整单元节点,消除初始穿透。


在一些专门的前处理软件中,例如ANSA,HYPERMESH、SpaceClaim在提交计算前对模型进行穿透检查,可以查出初始穿透的单元,然后进行节点移动,消除穿透。

ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题

▲ 图-6在message文件中查找初始穿透


② 调整关键字参数

■ 调整*CONTACT中的SFST和SFMT,即调整该接触对从面和主面的接触厚度的比例因子。该方法对微小的初始穿透效果很明显,但是对于初始穿透值很大,效果不好,容易导致计算结果错误。

ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题

▲ 图-7 接触卡片中的SFST和SFMT

■ 设置*CONTACT中的IGNORE参数,该参数默认值为0,即采用*CONTROL_CONTACT中IGNORE的值。可以对每个接触对进行修改,建议修改值为1或者2。

ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题

▲ 图-8 接触卡片中的IGNORE


第二种情况的解决方法

众所周知,ANSYS LS-DYNA存在2种方式设置接触,即有Contact Region和Body Interaction。

■ Body Interaction接触即LS-DYNA接触关键字*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE,主要用于整个模型的接触或自接触。

■ Contact Region用于建立接触对,当几何模型导入到ANSYS以后,Mechanical默认对每个零件建立bond接触。其输出关键字为*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET ,其set类型为segment set。


对于接触面和目标面这两个segment进行接触搜索时,在交界处的节点无法检查出穿透,然而当节点滑到接触厚度中时,就会发现穿透节点的存在,因此系统必定会给该节点施加一个力,把它拉回到接触面上,在这个过程中系统对该节点做功,消耗其接触势能,能量曲线输出表现为负的滑移能。


① 其解决方法之一是扩大主段的接触面。

由*CONTACT中的关键字MAXPAR进行调整。MAXPAR默认值为0,即表示设置值为1.025,其LS-DYNA推荐值为1.2。

ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题

▲ 图-9 接触卡片中的MAXPAR


② 其解决方法之二是调换接触算法。

ANSYS LS-DYNA在Mechanical中设定的bond接触是*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET。在LS-DYNA接触选项中带OFFSET,其目的是把基于约束类型的接触算法切换到基于罚函数的接触算法。


因此,当出现滑移能异常,可以把*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET切换为*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE。

下文是一个简单的对比,使用bond接触的模型如图-10所示,其采用不同的接触算法的能量图如图-11所示。

ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题

▲ 图-10 使用Bond接触的模型(黑色部分为接触区域)

ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题

(a)采用*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_OFFSET

ANSYS LS-DYNA常见问题之Sliding Energy问题

(b)采用*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE

▲ 图-11 不同接触算法下的能量平衡图


Bond接触推荐使用类型

① 实体单元到实体单元的bond接触

也就是说,对于没有节点具有旋转自由度的情况,使用TIED_NODES_TO_SURFACE和TIED_SURFACE_TO_SURFACE类型的接触。这些接触类型可能包括OFFSET或CONSTRAINED_OFFSET选项。


② 壳单元与壳单元、beam与壳单元的bond接触

也就是说,对于所有节点都具有旋转自由度的情况,可以使用TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE类型的接触。此接触类型可能包括OFFSET、CONSTRAINED_OFFSET或BEAM_OFFSET选项。


③ TIED_SHELL_EDGE_TO_SOLID

用于将壳单元边与实体单元或beam端与实体单元绑定,即只有从端节点具有旋转自由度的情况。


此部分,需要用户使用Mechanical中的Contact Property设置接触属性。


总结和建议

在使用ANSYS LS-DYNA中总是不可避免遇到能量问题,因其涉及判断模型是否正常,计算结果是否正确,所以对能量的判断必须符合要求。

■ 对于小的初始穿透,在对模型与试验对标后,没有出现误差,可以采用IGNORE进行处理;但如果影响计算结果,请务必调整初始穿透,这要求CAE工程师在网格处理时必须进行网格检查。

■ 对于第二种情况,利用GLATAT和SLEOUT查出那一对接触出现能量异常,然后修改参数或者接触算法。


参考文献:

①LS-DYNA®Theory Manual 07/24/19 (r:11261) [M] 2019

②LS-DYNA_Manual_Volume_I_R11 [M] 2018

③赵海鸥LS-DYNA 动力分析指南[M] 北京:兵器工业出版社,2003

相关公开课提醒:

■ 11月5日-6日:ANSYS LS DYNA显式动力学技术培训

■ 11月12日-13日:电子产品跌落仿真专题培训


*本文版权归上海安世亚太所有,

如需转载,请与我们联系。

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