CAE軟件操作小百科（40）

收稿日期： 2017[KG*9〗12[KG*9〗01

作者簡介： 詹思遠（1995—），男，湖南益陽人，碩士研究生，研究方向為鋰電池電極材料擴散/反應應力及其耦合本構關系，

（Email）2013sssy@tongji.edu.cn在Abaqus中進行接觸分析時，往往需要定義接觸對。接觸對的定義直接影響計算的收斂能力和計算精度，因此簡單說明一下接觸對定義的技巧。Abaqus/Standard的接觸對由主面（master surface）和從面（slave surface）構成。在模擬過程中，接觸方向總是主面的法線方向，從面上的節點不會穿越主面，但主面上的節點可以穿越從面。在定義主面和從面時要注意以下問題。

1主從面的定義

（1）選擇剛度較大的面作為主面。此處的剛度不僅要考慮材料特性，也要考慮結構剛度。剛體必須作為主面，從面必須是柔體上的面（可以是施加了剛體約束的柔體）。

（2）如果2個接觸面的剛度相似，則應選擇網格較粗的面為主面。

（3）主從面的節點位置不要求一一對應，但若有條件一一對應，則可得到更加精確的結果。

（4）主面不能由節點構成，并且必須連續。如果相對滑動形式為有限滑移，則主面在發生接觸的部位必須是光滑的，不能有尖角。

（5）如果接觸面在發生接觸的部位有很大的凹角與尖角，應該將其分別定義為2個面。

（6）如果接觸面為有限滑移，那么整個分析過程中盡量不要讓從面節點落到主面之外，更不要落到主面的背面，否則會出現無法收斂的問題。

（7）一對接觸面的法線方向應該相反，換言之，如果主面和從面在幾何位置上沒有發生重疊，則一個面的法線應指向另一個面（對于三維實體，法向應該指向實體的外側）。如果法線方向錯誤，Abaqus會將其認為是過盈量很大的接觸，因而無法達到收斂。一般來說，對于柔性的三維實體，Abaqus會自動選擇正確的法向方向，而在使用梁單元、殼單元、膜單元、桁架單元或剛體單元定義接觸時，應仔細指定自己需要的法向方向。

2滑移形式

有限滑移要求主面光滑，否則會出現收斂問題。如果主面在發生接觸的部位存在尖角或凹角，應該在此尖角處把主面分為2部分分別定義。對于有單元構成的主面，Abaqus會自動進行平滑處理。

對于小滑移的接觸對，Abaqus/Standard在分析的開始就確定從面節點與主面的關系，在整個分析過程中這種接觸關系不會再發生變化。

3接觸面間的幾何尺寸位置和Adjust參數

如果不特別設置，Abaqus會直接根據模型尺寸、位置判斷從面與主面的距離，從而確定二者的接觸狀態。這要求建模時模型尺寸應非常精確。一般情況下，模型尺寸往往會存在誤差，所以應該利用Adjust參數調整從面節點的初始坐標。如果從面節點與主面的距離小于這個參數，Abaqus將調整這些節點的初始坐標，使其與主面的距離為零（剛好接觸）。

4無法收斂問題

在進行接觸分析時，難免會遇到無法收斂的問題，下面闡述解決接觸分析中的無法收斂問題的主要方法。分析無法達到收斂，往往是因為模型有問題，例如存在剛體位移、過約束、接觸定義不當等，這時應該查看MSG文件，然后采取相應措施。可以考慮以下方法解決無法收斂問題。

（1）檢查接觸關系、邊界條件和約束。檢查接觸面、接觸參數和邊界條件的定義是否正確，其中包括表面的定義，SET接觸類型的定義，滑移形式的定義等。

（2）消除剛體位移。在靜力分析中，必須對模型中的所有實體都定義足夠的約束條件，以保證其在各個平移和轉動自由度上都不會出現不確定的剛體位移。

（3）使用綁定約束。如果某一對接觸面的接觸狀態對整個模型影響不大，或者這一對接觸面在整個分析過程中都是始終緊密接觸的，可以考慮將其間的接觸關系改為綁定約束，這樣會消除剛體位移，并且大大減少計算接觸狀態所需要的迭代時間。

（4）正確定義綁定約束和過盈接觸。如果定義綁定約束，或使用*CONTACT INTERFERENCE定義過盈接觸，必須讓Adjust略大于主面與從面在模型中的距離，否則這2個面之間不會建立過盈接觸或綁定約束。

（5）平穩建立接觸關系。一般應首先定義一個只有很小載荷的分析步，讓接觸關系平穩地建立起來，然后在下一個分析步中再施加真實載荷。這樣這可大大減小收斂的困難程度。

（6）細化網格。細化從面和主面的網格，過于粗糙的網格會使Abaqus難以確定接觸關系。

（7）使用一階單元。若接觸屬性為“硬”接觸，則不能使用六面體二次單元C3D20和C3D20R，以及四面體二次單元C3D10，而應盡可能使用六面體一階單元。無法劃分六面體單元的，可使用修正的四面體二次單元C3D10M。

（8）正確定義主從面。

（9）避免過約束。如果節點在某個自由度上同時定義2個以上的約束，就會出現過約束。在檢查模型時，應該檢查邊界條件、連接單元、子模型邊界和各種約束。

（10）摩擦因數。對摩擦的計算會增大收斂的難度，摩擦因數越大越不容易收斂。因此，如果摩擦對分析結果影響不大，可直接指定摩擦因數為0。

（11）解決振顫問題。考慮主面要足夠大，保證從面節點不會滑出主面或落到主面的背面；使用自動過盈接觸限度（automatic overclosure tolerance）會有助于解決振顫問題；主面應足夠平滑。

（12）減小初始時間增量步。如果模型中有塑性材料，或分析過程模型會發生很大的位移或局部變形，或施加載荷后會使模型接觸狀態發生很大的變化，則應指定較小的初始增量步。

（摘自同濟大學鄭百林教授《CAE操作技能與實踐》課堂講義）