本文翻譯自官方文檔，原文鏈接：

https://www.dynasupport.com/tutorial/ls-dyna-users-guide/contact-modeling-in-ls-dyna

? ? ? ?接觸問(wèn)題的處理是許多大變形問(wèn)題中的基本環(huán)節(jié)，不同體之間精確接觸模型的建立對(duì)于提高有限元模型的預(yù)測(cè)能力是至關(guān)重要的。LS-DYNA擁有大量的接觸類(lèi)型，其中，一些類(lèi)型專(zhuān)門(mén)用于特殊問(wèn)題，而其他類(lèi)型則適用于更多的常見(jiàn)問(wèn)題。此外，LS-DYNA中還有許多舊版本的接觸類(lèi)型。盡管它們目前很少用到，但還是被保留了下來(lái)，以保證順利計(jì)算那些建立在舊版本上的有限元模型。用戶(hù)在進(jìn)行有限元前處理時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)有非常多的接觸類(lèi)型可供選擇，而這份文檔則將對(duì)LS-DYNA中的接觸類(lèi)型進(jìn)行相關(guān)的概述，以便作為用戶(hù)選擇接觸類(lèi)型和接觸參數(shù)的一份參考手冊(cè)。

接觸是如何工作的

? ? ? ?在LS-DYNA中，接觸是通過(guò)給定需要程序檢查的，可能發(fā)生從節(jié)點(diǎn)穿透主面段的位置（location）來(lái)定義的，這里的“位置”可以來(lái)自部件、部件集合、面段集合以及節(jié)點(diǎn)集合。在計(jì)算中的每一個(gè)時(shí)間步，程序會(huì)利用多個(gè)算法中的某一種來(lái)查找可能發(fā)生的穿透。例如在基于罰函數(shù)的接觸中，當(dāng)程序檢測(cè)到穿透發(fā)生，就會(huì)對(duì)穿透的節(jié)點(diǎn)施加穿透深度成比例的力以便抵抗穿透的繼續(xù)進(jìn)行，并最大可能地消除已經(jīng)出現(xiàn)的穿透現(xiàn)象。除非另行聲明，否則這里討論的接觸均是基于罰函數(shù)的接觸類(lèi)型，而不是基于約束的接觸類(lèi)型。在罰函數(shù)接觸中，可能會(huì)出現(xiàn)剛性體，為了使接觸力可以如實(shí)分布到接觸面上，我們建議對(duì)剛性體的網(wǎng)格劃分密度要和變形體的密度一致。

? ? ? ?盡管我們可以很方便，很高效地在一個(gè)模型中定義某一中接觸，以處理可能發(fā)生的接觸問(wèn)題，但是請(qǐng)不要在同一個(gè)接觸面上定義多個(gè)接觸。通常，在同一個(gè)接觸面上定義的多個(gè)接觸會(huì)產(chǎn)生多個(gè)接觸力，這會(huì)導(dǎo)致計(jì)算不穩(wěn)定。

? ? ? ?為了使用戶(hù)可以靈活地處理各種接觸問(wèn)題，LS-DYNA提供了多種接觸類(lèi)型和接觸參數(shù)，用來(lái)控制接觸問(wèn)題處理過(guò)程中的不同設(shè)置。在下面的幾節(jié)中，我們首先介紹了不同的接觸類(lèi)型并給出可用于哪些應(yīng)用問(wèn)題的建議，然后給出了一些可用的接觸參數(shù)。

接觸類(lèi)型

Type 1：*CONTACT_SLIDING_ONLY

只發(fā)生相對(duì)滑移，無(wú)穿透

Type 2：*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE

接觸面綁定，平動(dòng)自由度被約束；節(jié)點(diǎn)和面之間的距離存于OFFSET選項(xiàng)中

Type 3：*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE

檢查每一個(gè)從節(jié)點(diǎn)是否穿透主面；對(duì)于殼單元面，法向的取向是很重要的

Type 4： *CONTACT_SINGLE_SURFACE

Type 13：?*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE

Type a13：?*CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SURFACE

Type 26：?*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL

Type i26：?*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL_INTERIOR

在預(yù)定義的接觸范圍內(nèi)生效的通用接觸；可用于屈曲，折疊的情況；接觸面可能是不連續(xù)的；非常耗費(fèi)CPU計(jì)算時(shí)間

Type 5：?*CONTACT_NODES_TO_SURFACE

檢查每一個(gè)從節(jié)點(diǎn)是否穿透主面? ；優(yōu)點(diǎn)為這一接觸的定義很簡(jiǎn)單

Type 6：?*CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE

節(jié)點(diǎn)和面之間的平動(dòng)自由度被約束；節(jié)點(diǎn)和面段之間的距離存于OFFSET選項(xiàng)；不傳遞力矩

Type 7：?*CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE

節(jié)點(diǎn)和面之間的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度都被約束；節(jié)點(diǎn)和面之間的距離存于CONSTRAINED_OFFSET和BEAM_OFFSET中

Type 8:?*CONTACT_TIEBREAK_NODES_TO_SURFACE

Type i8:?*CONTACT_TIEBREAK_NODES_ONLY

與type6類(lèi)似，但是增加了失效準(zhǔn)則

Type 9：?*CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE

與Type8類(lèi)似；使用應(yīng)力而不是力；m=n=2

Type 10：?*CONTACT_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE

只檢查從節(jié)點(diǎn)是否穿透主面

Type 22：?*CONTACT SINGLE EDGE

-

*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE?(with SOFT=2, SBOPT=3 and DEPTH=5)

*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL_INTERIOR

-

? ? ? ?在撞擊分析中，可能會(huì)發(fā)生非常大的變形，同時(shí)預(yù)判接觸將會(huì)在哪里以及如何發(fā)生是非常難甚至不可能的。所以這種情況下我們建議使用自動(dòng)接觸，因?yàn)檫@種接觸無(wú)需給定取向，也就是可以檢測(cè)來(lái)自殼單元每一側(cè)的接觸。在LS-DYNA中，如果*CONTACT關(guān)鍵字中存在AUTOMATIC字樣，這說(shuō)明該接觸為自動(dòng)接觸。與舊版本的接觸相比，自動(dòng)接觸中使用的算法使其更適合于不連貫的網(wǎng)格。對(duì)于殼單元，自動(dòng)接觸給定的接觸面平行于殼單元的中面，距離為接觸厚度的一半；同時(shí)在殼單元面的邊界上，接觸面以接觸面厚度的一半為半徑繞邊界翻轉(zhuǎn)，從而形成一個(gè)連續(xù)的接觸面。我們一般以殼單元的厚度為參考選定接觸面到殼中面的距離（此句存疑）。接觸定義過(guò)程中有許多可選參數(shù)供使用，用戶(hù)可以據(jù)此直接定義或者通過(guò)縮放來(lái)定義接觸厚度。若用戶(hù)沒(méi)有定義接觸厚度，則接觸厚度等于殼厚度（在單面接觸中，接觸厚度等于橋厚度和單元邊長(zhǎng)中的最小值）。同樣的，在考慮梁的接觸是，梁?jiǎn)卧慕佑|面與梁中軸線(xiàn)的距離為梁橫截面的等效半徑。正是因?yàn)榻佑|面是由殼的中面和梁的中性軸偏置而來(lái)，所以在有限元建模中，為了表示殼的厚度和梁的橫截面尺寸而留下的殼部件之間與梁部件之間的間隙尺寸就顯得至關(guān)重要。不合適的間隙尺寸則會(huì)導(dǎo)致接觸面上出現(xiàn)初始穿透的現(xiàn)象。LS-DYNA將通過(guò)移動(dòng)穿透的從節(jié)點(diǎn)到主面的方式消除初始穿透。并不是所有的初始穿透都需要消除，否則可能會(huì)導(dǎo)致不符合物理規(guī)則的接觸行為的發(fā)生。設(shè)置一個(gè)精確地初始幾何模型總是會(huì)花費(fèi)很大時(shí)間。

? ? ? ?在從節(jié)點(diǎn)開(kāi)始被釋放，其接觸力設(shè)為0之前，LS-DYNA中的大部分接觸類(lèi)型會(huì)針對(duì)最大穿透深度給定一個(gè)上限。這主要發(fā)生于自動(dòng)接觸中，用于避免從節(jié)點(diǎn)穿過(guò)殼的中面時(shí)在反方向產(chǎn)生較大的接觸力。不同接觸類(lèi)型對(duì)應(yīng)的最大接觸深度以表格的形式列在了用戶(hù)手冊(cè)v.960的表6.1中。有時(shí)自動(dòng)接觸并未起到作用，這是因?yàn)樵缭谟?jì)算的開(kāi)始就達(dá)到了接觸的起始點(diǎn)，這主要發(fā)生于接觸面中存在有非常薄的殼單元的情況下。此時(shí)利用縮放系數(shù)放大接觸厚度或者直接設(shè)置一個(gè)大于殼單元厚度的接觸厚度可以避免接觸失效的發(fā)生?；蛘咴O(shè)置soft=1也可以解決這個(gè)問(wèn)題。

單向接觸

? ? ? ?單向接觸允許壓縮載荷在從節(jié)點(diǎn)和主面之間進(jìn)行傳遞；如果接觸中有設(shè)置摩擦系數(shù)，那么同樣可以傳遞在相對(duì)滑移時(shí)出現(xiàn)的剪切載荷。靜摩擦到動(dòng)摩擦的轉(zhuǎn)換由庫(kù)倫摩擦和指數(shù)插值函數(shù)實(shí)現(xiàn)，這就需要設(shè)置一個(gè)衰減系數(shù)，使得靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)。單向接觸中的“單向”一詞的意思是只針對(duì)用戶(hù)定義的從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行是否穿透主面的檢查，單向接觸主要適用于主面是剛體的情況，例如成型模擬中的沖頭和模具。當(dāng)一個(gè)有較細(xì)網(wǎng)格的從面撞擊另一個(gè)有較粗網(wǎng)格的主面，同時(shí)兩者均為變形體，則單相接觸不適合使用。另外常見(jiàn)的應(yīng)用為梁-面或殼邊界-面的接觸，此種情況下梁的節(jié)點(diǎn)和殼邊界上的節(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置成從節(jié)點(diǎn)的集合。激活單相接觸有多種選擇：

? ? ? ?對(duì)于氣囊（從）和人體模型（主）之間的接觸，主要使用如下兩種接觸之一：

? ? ? ?*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE?(a5)

? ? ? ?*CONTACT_AUTOMATIC_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE?(a10)

? ? ? ?對(duì)于金屬成型問(wèn)題，建議使用如下定制的單向成型接觸，其中接觸發(fā)生位置定義在了從面一側(cè)：

? ? ? ?*CONTACT_FORMING_NODES_TO_SURFACE?(m5)

? ? ? ?*CONTACT_FORMING_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE?(m10)

? ? ? ?成型接觸中的取向確定是自動(dòng)完成的。剛性刀具的表面可以由不連續(xù)的單元塊組成，這些單元塊附近的節(jié)點(diǎn)有時(shí)會(huì)被合并起來(lái)，但是這種情況并不常見(jiàn)。這些單元塊的方向并不一致，但是在計(jì)算初始化時(shí)它們會(huì)被重新確定方向（此句存疑）。成型接觸可以追蹤那些在刀具表面上的單元塊之間移動(dòng)的屬于坯料的節(jié)點(diǎn)，利用罰接觸力限制穿透的出現(xiàn)。通常我們推薦使用ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE這一選項(xiàng)，因?yàn)樵谧赃m應(yīng)網(wǎng)格中該選項(xiàng)考慮到了主節(jié)點(diǎn)到從面的穿透，若不使用這一選項(xiàng)，則無(wú)法對(duì)坯料進(jìn)行足夠精細(xì)的重新分網(wǎng)，從而捕捉主面的尖銳部分，最終導(dǎo)致主面向從面突出。

? ? ? ?當(dāng)通過(guò)分析可以得知面的方向時(shí)，下面這幾個(gè)非自動(dòng)接觸類(lèi)型可能會(huì)很有效：

? ? ? ?*CONTACT_NODES_TO_SURFACE?(5)

? ? ? ?*CONTACT_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE?(10)

? ? ? ?*CONTACT_CONSTRAINT_NODES_TO_SURFACE?(18)

? ? ? ?*CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE?(16)

（未完待續(xù)）