結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真軟件：ABAQUS：ABAQUS接觸問(wèn)題分析方法

結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真軟件：ABAQUS：ABAQUS接觸問(wèn)題分析方法1緒論1.1ABAQUS軟件簡(jiǎn)介ABAQUS是一款廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域的高級(jí)有限元分析軟件，由美國(guó)HKS公司開(kāi)發(fā)，后被DassaultSystèmes收購(gòu)。它能夠解決復(fù)雜的線(xiàn)性和非線(xiàn)性問(wèn)題，包括結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)等。ABAQUS在接觸問(wèn)題分析方面尤為出色，能夠處理各種接觸類(lèi)型，如滑動(dòng)接觸、粘著接觸、自接觸等，適用于多種工程場(chǎng)景，如機(jī)械設(shè)計(jì)、汽車(chē)碰撞、土木工程等。1.2接觸問(wèn)題在結(jié)構(gòu)力學(xué)中的重要性在結(jié)構(gòu)力學(xué)中，接觸問(wèn)題是指兩個(gè)或多個(gè)物體在接觸面上的相互作用。這種作用可能包括壓力、摩擦力、粘著力等，對(duì)結(jié)構(gòu)的性能和安全有著直接的影響。例如，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，齒輪、軸承等部件的接觸分析是確保設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵；在汽車(chē)碰撞模擬中，車(chē)身各部件之間的接觸分析能夠預(yù)測(cè)碰撞時(shí)的能量分布和損傷情況；在土木工程中，地基與結(jié)構(gòu)之間的接觸分析有助于評(píng)估結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力。接觸問(wèn)題的準(zhǔn)確模擬對(duì)于預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、減少試驗(yàn)成本和提高產(chǎn)品性能至關(guān)重要。ABAQUS提供了強(qiáng)大的接觸算法和工具，能夠處理復(fù)雜的接觸情況，包括大變形、非線(xiàn)性材料行為和多體接觸等，是解決結(jié)構(gòu)力學(xué)接觸問(wèn)題的首選軟件之一。接下來(lái)的章節(jié)將深入探討ABAQUS中接觸問(wèn)題的分析方法，包括接觸定義、接觸算法、接觸控制參數(shù)的設(shè)置，以及如何通過(guò)ABAQUS腳本語(yǔ)言（Python）來(lái)自動(dòng)化接觸問(wèn)題的分析流程。1.2.1示例：ABAQUS接觸定義在ABAQUS中，接觸定義通常包括接觸對(duì)的指定、接觸屬性的設(shè)置和接觸控制參數(shù)的調(diào)整。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的ABAQUS腳本示例，用于定義一個(gè)滑動(dòng)接觸對(duì)：#ABAQUS接觸定義示例

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

#創(chuàng)建模型

model=mdb.models['Model-1']

#定義接觸對(duì)

model.ContactProperty('IntProp-1')

eractionProperties['IntProp-1'].TangentialBehavior(

formulation=FINITE,directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,

pressureDependency=OFF,temperatureDependency=OFF,dependencies=0,

table=((0.3,),))

#設(shè)置接觸對(duì)

model.SurfaceToSurfaceContactStd(name='Contact-1',createStepName='Step-1',

master='Master_Surface',slave='Slave_Surface',sliding=FINITE,

interactionProperty='IntProp-1',thickness=ON)

#設(shè)置接觸控制參數(shù)

model.steps['Step-1'].contactControls['ContactControl-1'].interactionPropertyState=(

eractionProperties['IntProp-1'],)

model.steps['Step-1'].contactControls['ContactControl-1'].initialClearance=CLEARANCE

model.steps['Step-1'].contactControls['ContactControl-1'].adjustMethod=NONE

model.steps['Step-1'].contactControls['ContactControl-1'].stabilizationMethod=DISSIPATED_ENERGY_FRACTION

model.steps['Step-1'].contactControls['ContactControl-1'].stabilizationMagnitude=0.05在這個(gè)示例中，我們首先創(chuàng)建了一個(gè)接觸屬性IntProp-1，并設(shè)置了其切向行為為有限滑動(dòng)（sliding=FINITE）。然后，我們定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的表面到表面接觸對(duì)Contact-1，其中Master_Surface和Slave_Surface分別代表主表面和從表面。最后，我們?cè)O(shè)置了接觸控制參數(shù)，包括接觸屬性的使用、初始間隙的處理方式、調(diào)整方法和穩(wěn)定化方法等。通過(guò)這樣的腳本，用戶(hù)可以靈活地定義和控制接觸問(wèn)題的分析，以適應(yīng)不同的工程需求。在實(shí)際應(yīng)用中，接觸問(wèn)題的定義和分析可能更為復(fù)雜，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。2ABAQUS接觸問(wèn)題基礎(chǔ)2.1接觸理論概述在結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真中，接觸問(wèn)題的分析是至關(guān)重要的，尤其是在設(shè)計(jì)和優(yōu)化機(jī)械部件、預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)行為以及評(píng)估材料性能時(shí)。ABAQUS作為一款先進(jìn)的有限元分析軟件，提供了強(qiáng)大的接觸分析功能，能夠模擬各種復(fù)雜的接觸情況，如滑動(dòng)、摩擦、間隙、粘合等。接觸理論主要涉及接觸面的識(shí)別、接觸力的計(jì)算以及接觸行為的模擬。在ABAQUS中，接觸分析基于Lagrange乘子法或罰函數(shù)法，通過(guò)迭代求解接觸力和位移，確保接觸條件的滿(mǎn)足。2.1.1接觸理論的關(guān)鍵概念接觸對(duì)：定義了兩個(gè)可能接觸的表面，包括主表面和從表面。接觸類(lèi)型：包括面-面接觸、點(diǎn)-面接觸、自接觸等。接觸屬性：如摩擦系數(shù)、間隙行為、粘合條件等，用于描述接觸面的物理特性。2.2接觸類(lèi)型與接觸對(duì)定義在ABAQUS中，接觸類(lèi)型的選擇和接觸對(duì)的定義是接觸分析的基礎(chǔ)。正確設(shè)置這些參數(shù)可以確保模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算的效率。2.2.1面-面接觸面-面接觸是最常見(jiàn)的接觸類(lèi)型，適用于兩個(gè)表面之間的接觸。在定義接觸對(duì)時(shí)，需要指定主表面和從表面。主表面通常是固定或較少移動(dòng)的表面，而從表面則是可能與主表面接觸的移動(dòng)表面。示例：定義面-面接觸對(duì)#定義接觸對(duì)

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

#創(chuàng)建接觸對(duì)

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=myModel)

myModel.ContactProperty('IntProp-1')

myMeractionProperties['IntProp-1'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,

directionality=ISOTROPIC,

slipRateDependency=OFF,

pressureDependency=OFF,

temperatureDependency=OFF,

dependencies=0,

table=((0.3,),))

myMeractionProperties['IntProp-1'].NormalBehavior(pressureOverclosure=HARD,

allowSeparation=ON,

generateContactOutput=ON)

#定義接觸對(duì)

myModel.SurfaceToSurfaceContactStd(name='Contact-1',

createStepName='Initial',

master='Master_Surface',

slave='Slave_Surface',

sliding=FINITE,

interactionProperty='IntProp-1',

thickness=ON)2.2.2點(diǎn)-面接觸點(diǎn)-面接觸適用于模擬點(diǎn)與面之間的接觸，如螺釘與孔的接觸。在ABAQUS中，可以通過(guò)定義點(diǎn)表面和面表面來(lái)實(shí)現(xiàn)。示例：定義點(diǎn)-面接觸對(duì)#定義點(diǎn)-面接觸對(duì)

myModel.PointOnSurface(name='Point_Surface',

point=myModel.nodes[100],

surface='Master_Surface')

myModel.SurfaceToSurfaceContactStd(name='Contact-2',

createStepName='Initial',

master='Master_Surface',

slave='Point_Surface',

sliding=FINITE,

interactionProperty='IntProp-1',

thickness=ON)2.3接觸屬性設(shè)置接觸屬性的設(shè)置對(duì)于準(zhǔn)確模擬接觸行為至關(guān)重要。這包括摩擦系數(shù)、間隙行為、粘合條件等。2.3.1摩擦系數(shù)設(shè)置摩擦系數(shù)是描述接觸面間摩擦特性的關(guān)鍵參數(shù)。在ABAQUS中，可以通過(guò)接觸屬性來(lái)設(shè)置摩擦系數(shù)。示例：設(shè)置摩擦系數(shù)#設(shè)置摩擦系數(shù)

myMeractionProperties['IntProp-1'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,

directionality=ISOTROPIC,

slipRateDependency=OFF,

pressureDependency=OFF,

temperatureDependency=OFF,

dependencies=0,

table=((0.3,),))2.3.2間隙行為設(shè)置間隙行為描述了接觸面在分離狀態(tài)下的行為。在ABAQUS中，可以通過(guò)設(shè)置接觸屬性中的“NormalBehavior”來(lái)控制間隙行為。示例：設(shè)置間隙行為#設(shè)置間隙行為

myMeractionProperties['IntProp-1'].NormalBehavior(pressureOverclosure=HARD,

allowSeparation=ON,

generateContactOutput=ON)2.3.3粘合條件設(shè)置粘合條件用于模擬接觸面之間的粘合行為。在ABAQUS中，可以通過(guò)設(shè)置接觸屬性中的“NormalBehavior”來(lái)實(shí)現(xiàn)。示例：設(shè)置粘合條件#設(shè)置粘合條件

myMeractionProperties['IntProp-1'].NormalBehavior(pressureOverclosure=HARD,

allowSeparation=OFF,

generateContactOutput=ON)通過(guò)以上內(nèi)容，我們了解了ABAQUS中接觸問(wèn)題分析的基礎(chǔ)，包括接觸理論概述、接觸類(lèi)型與接觸對(duì)定義以及接觸屬性設(shè)置。正確理解和應(yīng)用這些原理和方法，將有助于在ABAQUS中高效準(zhǔn)確地模擬和分析各種接觸問(wèn)題。3ABAQUS接觸界面操作3.1創(chuàng)建接觸對(duì)在ABAQUS中，接觸對(duì)的創(chuàng)建是模擬接觸行為的關(guān)鍵步驟。接觸對(duì)定義了哪些表面將相互作用。通常，接觸對(duì)由主表面和從表面組成，其中從表面的節(jié)點(diǎn)可以接觸主表面，但主表面的節(jié)點(diǎn)不會(huì)接觸從表面。3.1.1步驟選擇主表面和從表面：在模型中選擇將作為接觸對(duì)的兩個(gè)表面。定義接觸類(lèi)型：選擇接觸類(lèi)型，如面-面接觸、點(diǎn)-面接觸等。設(shè)置接觸屬性：為接觸對(duì)指定接觸屬性，如摩擦系數(shù)、接觸剛度等。3.1.2示例假設(shè)我們有一個(gè)模型，其中包含兩個(gè)零件：Part-1和Part-2。我們想要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)接觸對(duì)，其中Part-1的表面Surface-1作為主表面，Part-2的表面Surface-2作為從表面。#創(chuàng)建接觸對(duì)

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromodbAccessimport*

frompartimport*

frommaterialimport*

fromsectionimport*

fromassemblyimport*

fromstepimport*

frominteractionimport*

fromloadimport*

frommeshimport*

fromjobimport*

fromsketchimport*

fromvisualizationimport*

fromconnectorBehaviorimport*

#打開(kāi)模型

model=mdb.models['Model-1']

#創(chuàng)建接觸屬性

model.ContactProperty('Int-Prop-1')

eractionProperties['Int-Prop-1'].TangentialBehavior(

formulation=FINITE,directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,

pressureDependency=OFF,temperatureDependency=OFF,dependencies=0,

table=((0.3,),))

#創(chuàng)建接觸對(duì)

model.SurfaceToSurfaceContactStd(name='Contact-1',createStepName='Initial',

master='Part-1-Surface-1',slave='Part-2-Surface-2',sliding=FINITE,

thickness=ON,interactionProperty='Int-Prop-1')3.2定義接觸屬性接觸屬性定義了接觸對(duì)的行為，包括摩擦、粘附、分離等特性。這些屬性對(duì)于準(zhǔn)確模擬接觸界面的力學(xué)行為至關(guān)重要。3.2.1屬性摩擦系數(shù)：定義接觸表面之間的摩擦程度。粘附：定義接觸表面是否可以粘附在一起。分離：定義接觸表面是否可以分離。3.2.2示例在上述示例中，我們定義了接觸屬性Int-Prop-1，并設(shè)置了摩擦系數(shù)為0.3。這意味著接觸對(duì)中的表面將具有0.3的摩擦系數(shù)，這是一個(gè)典型的干摩擦值。#定義接觸屬性

model.ContactProperty('Int-Prop-1')

eractionProperties['Int-Prop-1'].TangentialBehavior(

formulation=FINITE,directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,

pressureDependency=OFF,temperatureDependency=OFF,dependencies=0,

table=((0.3,),))3.3設(shè)置接觸控制參數(shù)接觸控制參數(shù)用于控制ABAQUS在求解接觸問(wèn)題時(shí)的行為，包括接觸算法的精度、穩(wěn)定性等。3.3.1參數(shù)初始間隙：定義接觸對(duì)初始狀態(tài)下的間隙大小。接觸算法：選擇接觸算法，如增廣拉格朗日法、罰函數(shù)法等。接觸迭代：定義接觸迭代的控制參數(shù)，如最大迭代次數(shù)、收斂準(zhǔn)則等。3.3.2示例在ABAQUS中，接觸控制參數(shù)通常在分析步中設(shè)置。以下示例展示了如何在分析步Step-1中設(shè)置接觸控制參數(shù)。#創(chuàng)建分析步

model.StaticStep(name='Step-1',previous='Initial',initialInc=0.1,

maxNumInc=100,stabilizationMethod=DAMPING_FACTOR,

stabilizationMagnitude=0.05,continueDampingFactors=OFF,

adaptiveDampingRatio=0.05,maxStepSize=0.1)

#設(shè)置接觸控制參數(shù)

model.steps['Step-1'].interactionControls['Contact-1'].contactControls(

name='Control-1',controlType=DISPLACEMENT_BASED,initialClearance=OMIT,

clearanceRegion=None,generateContactAtInitialInc=ON,

initialIncPenetrationTolFactor=0.01,maxNumIncPenetrationTolFactor=0.01,

initialIncPenetrationTol=0.0,maxNumIncPenetrationTol=0.0,

initialIncPenetrationTolMethod=DEFAULT,maxNumIncPenetrationTolMethod=DEFAULT,

initialIncPenetrationTolRegion=None,maxNumIncPenetrationTolRegion=None,

initialIncPenetrationTolTable=((0.0,),),maxNumIncPenetrationTolTable=((0.0,),))通過(guò)以上步驟，我們創(chuàng)建了接觸對(duì)，定義了接觸屬性，并設(shè)置了接觸控制參數(shù)，為ABAQUS中的接觸問(wèn)題分析提供了基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體問(wèn)題，可能需要調(diào)整接觸屬性和控制參數(shù)以獲得更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。4接觸問(wèn)題的前處理4.1模型建立與網(wǎng)格劃分在ABAQUS中分析接觸問(wèn)題，首先需要建立準(zhǔn)確的模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型的建立包括定義幾何形狀、創(chuàng)建部件、裝配部件以及定義載荷和約束。網(wǎng)格劃分則是將模型離散化，以便進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。4.1.1定義幾何形狀幾何形狀的定義是基于CAD模型或直接在ABAQUS中創(chuàng)建。例如，創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的圓柱體：#ABAQUSPythonScriptforcreatingacylinder

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

frompartimport*

fromsectionimport*

fromassemblyimport*

fromstepimport*

frominteractionimport*

fromloadimport*

frommeshimport*

fromjobimport*

fromsketchimport*

fromvisualizationimport*

fromconnectorBehaviorimport*

#Createanewpart

myModel=mdb.models['Model-1']

myPart=myModel.Part(name='Cylinder',dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

#Createasketchforthecylinder

mySketch=myPart.ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=100.0)

mySketch.CircleByCenterPerimeter(center=(0.0,0.0),point1=(50.0,0.0))

#Extrudethesketchtocreatethecylinder

myPart.PartitionCellByExtrudeEdge(line=mySketch.sketchCurves[0].getEdges()[0],

cells=myPart.cells[:],

direction=AXIS_3,

distance=100.0,

flipSense=OFF)4.1.2創(chuàng)建部件部件是模型的基本組成部分，可以是實(shí)體、殼體或梁。上述腳本中，我們創(chuàng)建了一個(gè)名為Cylinder的部件。4.1.3裝配部件如果模型包含多個(gè)部件，需要將它們裝配在一起。裝配過(guò)程確保部件之間的相對(duì)位置正確。#Assemblytheparts

myAssembly=myModel.rootAssembly

myAssembly.Instance(name='Cylinder-1',part=myPart,dependent=ON)4.1.4網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是將模型分割成小的單元，以便進(jìn)行有限元分析。網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。#Meshingthepart

myMesh=myPart.sets['Set-1']

myPart.seedPart(size=10.0,deviationFactor=0.1,minSizeFactor=0.1)

myPart.generateMesh()4.2材料屬性與邊界條件設(shè)置4.2.1材料屬性ABAQUS中的材料屬性定義了材料的力學(xué)行為，如彈性模量、泊松比等。例如，定義一個(gè)鋼材料：#Definematerialproperties

myModel.Material(name='Steel')

myModel.materials['Steel'].Elastic(table=((200e3,0.3),))4.2.2邊界條件設(shè)置邊界條件包括固定約束、載荷和接觸條件。接觸條件是接觸問(wèn)題分析的關(guān)鍵，需要定義接觸對(duì)和接觸屬性。#Defineboundaryconditions

myAssembly.Set(name='Fixed',nodes=myAssembly.instances['Cylinder-1'].nodes[0:10])

myAssembly.DisplacementBC(name='FixedBC',createStepName='Initial',region=myAssembly.sets['Fixed'],u1=0.0,u2=0.0,u3=0.0,ur1=0.0,ur2=0.0,ur3=0.0,amplitude=UNSET,fixed=OFF,distributionType=UNIFORM,fieldName='',localCsys=None)

#Definecontactproperties

myModel.ContactProperty('IntProp-1')

myMeractionProperties['IntProp-1'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,pressureDependency=OFF,temperatureDependency=OFF,dependencies=0,table=((0.3,),))

#Definecontactpairs

myModel.Surface(name='Surface-1',side1Edges=myAssembly.instances['Cylinder-1'].edges[:])

myModel.Surface(name='Surface-2',side1Edges=myAssembly.instances['Cylinder-2'].edges[:])

myModel.ContactStd(name='Contact-1',createStepName='Initial',

master=myModel.surfaces['Surface-1'],

slave=myModel.surfaces['Surface-2'],

interactionProperty='IntProp-1')以上腳本展示了如何在ABAQUS中通過(guò)Python腳本定義材料屬性、邊界條件和接觸條件。這些步驟是接觸問(wèn)題分析的基礎(chǔ)，確保了模型的準(zhǔn)確性和分析的可靠性。5ABAQUS接觸分析設(shè)置5.1分析步定義在ABAQUS中，接觸分析通常需要定義特定的分析步來(lái)控制接觸行為的計(jì)算。接觸分析的復(fù)雜性要求在分析步中詳細(xì)設(shè)置接觸條件、時(shí)間步長(zhǎng)和求解控制參數(shù)。5.1.1原理接觸分析涉及兩個(gè)或多個(gè)物體之間的相互作用，這些物體可能在某些點(diǎn)或區(qū)域接觸。ABAQUS通過(guò)迭代求解器來(lái)處理接觸問(wèn)題，確保在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)接觸條件得到滿(mǎn)足。分析步的定義允許用戶(hù)控制接觸算法的細(xì)節(jié)，如接觸檢測(cè)、摩擦模型和接觸分離。5.1.2內(nèi)容接觸對(duì)的定義：在分析步中，需要指定哪些表面之間可能發(fā)生接觸。這通常通過(guò)定義主表面和從表面來(lái)完成。時(shí)間步長(zhǎng)控制：接觸分析可能需要更小的時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)準(zhǔn)確捕捉接觸事件。用戶(hù)可以設(shè)置自適應(yīng)時(shí)間步長(zhǎng)或指定固定時(shí)間步長(zhǎng)。求解控制：包括收斂準(zhǔn)則、最大迭代次數(shù)和求解器類(lèi)型（如標(biāo)準(zhǔn)或顯式）的選擇。5.1.3示例#定義分析步

mdb.models['Model-1'].StaticStep(name='Contact-Step',previous='Initial',

initialInc=0.1,maxNumInc=100)

#定義接觸對(duì)

session.viewports['Viewport:1'].assemblyDisplay.displayGroup=\

'Assembly'

session.viewports['Viewport:1'].assemblyDisplay.setValues(step='Contact-Step')

mdb.models['Model-1'].ContactProperty('IntProp-1')

mdb.models['Model-1'].interactionPropertyAssignments.appendInStep(

stepName='Contact-Step',assignments=(('Assembly',SELF,SELF,'IntProp-1',),))

#設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)控制

mdb.models['Model-1'].steps['Contact-Step'].setValues(maxInc=0.01,

timeIncrementationMethod=AUTOMATIC)5.2載荷與約束應(yīng)用接觸分析中，正確施加載荷和約束是確保模型準(zhǔn)確反映物理現(xiàn)象的關(guān)鍵。5.2.1原理載荷可以是力、壓力或位移，約束則限制了模型中某些部分的自由度。在接觸分析中，載荷和約束的施加方式會(huì)影響接觸行為的預(yù)測(cè)。5.2.2內(nèi)容載荷的施加：包括集中力、分布力、壓力和位移邊界條件。約束的定義：如固定約束、鉸鏈約束和滑動(dòng)約束。5.2.3示例#施加集中力

mdb.models['Model-1'].ConcentratedForce(name='Load-1',createStepName='Contact-Step',

region=regionSet['Region-1'],cf1=100.0)

#定義固定約束

mdb.models['Model-1'].EncastreBC(name='Constraint-1',createStepName='Contact-Step',

region=regionSet['Region-2'])5.3接觸分析的特殊考慮接觸分析中，需要特別注意一些問(wèn)題，以避免不準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。5.3.1原理接觸分析的特殊考慮包括接觸表面的準(zhǔn)備、接觸算法的選擇和接觸行為的監(jiān)控。5.3.2內(nèi)容接觸表面的準(zhǔn)備：確保接觸表面的網(wǎng)格質(zhì)量，避免過(guò)小或過(guò)大的單元。接觸算法的選擇：根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)選擇合適的接觸算法，如罰函數(shù)法或拉格朗日乘子法。接觸行為的監(jiān)控：通過(guò)輸出接觸力、接觸壓力和接觸區(qū)域等結(jié)果，監(jiān)控接觸行為是否符合預(yù)期。5.3.3示例#選擇接觸算法

mdb.models['Model-1'].SurfaceToSurfaceContactStd(name='Contact-1',

createStepName='Contact-Step',

master=regionSet['Master-Surface'],

slave=regionSet['Slave-Surface'],

sliding=FINITE,

thickness=ON)

#監(jiān)控接觸行為

mdb.models['Model-1'].ContactStressOutputRequest(name='Contact-Stress-Output',

createStepName='Contact-Step',

frequency=EVERY_TIME_INCREMENT,

region=regionSet['Contact-Region'])以上示例展示了如何在ABAQUS中設(shè)置接觸分析的分析步、施加載荷與約束，以及如何考慮接觸分析的特殊需求。通過(guò)這些步驟，可以有效地模擬和分析復(fù)雜的接觸問(wèn)題。6接觸問(wèn)題的求解與后處理6.1求解控制與監(jiān)控在ABAQUS中，接觸問(wèn)題的求解通常需要細(xì)致的控制和監(jiān)控，以確保模擬的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。接觸分析涉及到復(fù)雜的非線(xiàn)性行為，因此，正確設(shè)置求解參數(shù)和監(jiān)控求解過(guò)程是至關(guān)重要的。6.1.1求解控制時(shí)間步長(zhǎng)控制ABAQUS允許用戶(hù)自定義時(shí)間步長(zhǎng)，這對(duì)于接觸問(wèn)題尤為重要，因?yàn)榻佑|事件可能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。使用*STEP命令可以定義時(shí)間步長(zhǎng)，例如：*STEP,INC=0.01

*STATIC這里，INC=0.01定義了每個(gè)時(shí)間步的增量。收斂控制接觸分析中，收斂問(wèn)題常見(jiàn)。ABAQUS提供了多種收斂控制策略，如*CONTACTOUTPUT和*CONTACTSTRESS，用于輸出接觸信息，幫助診斷收斂問(wèn)題。*CONTACTOUTPUT,OUTPUT=ALL這將輸出所有接觸信息，包括接觸壓力、滑移等。接觸算法選擇ABAQUS提供了多種接觸算法，如表面-表面接觸、節(jié)點(diǎn)-表面接觸等。選擇合適的算法對(duì)于求解接觸問(wèn)題至關(guān)重要。*SURFACETOSURFACECONTACT,INTERACTION=Contact-1,SMALLSLIDING,PENALTY,PENALTY=1e6這里，SMALLSLIDING和PENALTY選項(xiàng)用于定義接觸行為。6.1.2監(jiān)控求解過(guò)程輸出監(jiān)控使用*NODEFILE和*ELFILE命令可以監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和單元的輸出，這對(duì)于理解接觸行為非常有幫助。*NODEFILE

U,RF

*ELFILE

S,E這將輸出節(jié)點(diǎn)位移(U)、節(jié)點(diǎn)反力(RF)、單元應(yīng)力(S)和應(yīng)變能(E)。接觸監(jiān)控*CONTACTOUTPUT命令可以用于監(jiān)控接觸區(qū)域的詳細(xì)信息。*CONTACTOUTPUT

*CONTACTPAIR,INTERACTION=Contact-1

SURFACE-1,SURFACE-2這將輸出接觸對(duì)SURFACE-1和SURFACE-2之間的接觸信息。6.2結(jié)果可視化與數(shù)據(jù)分析ABAQUS提供了強(qiáng)大的后處理工具，用于結(jié)果的可視化和分析。對(duì)于接觸問(wèn)題，這些工具尤其重要，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭斫饨佑|區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變和滑移行為。6.2.1結(jié)果可視化使用VistaABAQUS/CAE中的Vista模塊可以用于結(jié)果的三維可視化。例如，可以使用以下命令來(lái)顯示接觸壓力：#在ABAQUS/CAE中使用Python腳本顯示接觸壓力

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=session.odbs['Job-1'].odb)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.display.setValues(plotState=(CONTOURS_ON_DEF,))

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.contourOptions.setValues(contourType=USER_DEFINED,userContour=10)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.setFrame(step=0,frame=1)

session.viewports['Viewport:1'].odbDisplay.setPrimaryVariable(variableLabel='C',outputPosition=SURFACE,refinement=(SMOOTH,))這段Python腳本在ABAQUS/CAE中設(shè)置Vista顯示接觸壓力。6.2.2數(shù)據(jù)分析接觸力和位移分析接觸力和位移是理解接觸行為的關(guān)鍵。在ABAQUS中，可以使用historyoutputs來(lái)提取這些數(shù)據(jù)。*HISTORYOUTPUT,FREQUENCY=10

*NODEPRINT,NSET=ContactNodes

RF

*ELPRINT,ELSET=ContactElements

S這將輸出接觸節(jié)點(diǎn)的反力和接觸單元的應(yīng)力，頻率為每10個(gè)時(shí)間步一次。使用Python進(jìn)行數(shù)據(jù)分析ABAQUS提供了PythonAPI，可以用于更深入的數(shù)據(jù)分析。例如，提取接觸力并進(jìn)行處理：#提取接觸力

odb=session.odbs['Job-1.odb']

step=odb.steps['Step-1']

frame=step.frames[-1]

nodeSet=odb.rootAssembly.nodeSets['ContactNodes']

nodeInstance=nodeSet.nodes[0].instance

nodeLabel=nodeSet.nodes[0].label

nodeForce=frame.fieldOutputs['RF'].getSubset(region=Region(nodeInstance,nodes=(nodeLabel,))).values[0].data

#數(shù)據(jù)分析

importnumpyasnp

forces=np.array([nodeForce])

avgForce=np.mean(forces)

print("平均接觸力:",avgForce)這段Python腳本首先從ODB文件中提取接觸節(jié)點(diǎn)的反力，然后使用numpy庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)算平均接觸力。通過(guò)上述方法，可以有效地控制和監(jiān)控ABAQUS中的接觸問(wèn)題求解過(guò)程，并利用后處理工具進(jìn)行結(jié)果的可視化和深入分析，從而確保模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。7ABAQUS接觸問(wèn)題高級(jí)應(yīng)用7.1多體接觸分析7.1.1原理在ABAQUS中，多體接觸分析涉及到多個(gè)物體之間的相互作用，包括接觸、摩擦和可能的滑動(dòng)。這種分析在模擬機(jī)械系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)組件的裝配、以及材料加工等領(lǐng)域至關(guān)重要。ABAQUS通過(guò)定義接觸對(duì)（一對(duì)接觸面）來(lái)處理多體接觸，其中一個(gè)是主面（mastersurface），另一個(gè)是從面（slavesurface）。主面和從面的選擇基于幾何形狀和運(yùn)動(dòng)學(xué)考慮。7.1.2內(nèi)容接觸對(duì)定義：在ABAQUS中，接觸對(duì)的定義是通過(guò)指定主面和從面來(lái)完成的。主面通常是更光滑或更硬的表面，而從面則可能與主面接觸并承受力。接觸屬性：包括接觸剛度、摩擦系數(shù)等，這些屬性決定了接觸行為的細(xì)節(jié)。接觸算法：ABAQUS使用先進(jìn)的接觸算法來(lái)解決多體接觸問(wèn)題，確保在復(fù)雜幾何和大變形情況下仍能準(zhǔn)確模擬接觸行為。7.1.3示例#ABAQUSPythonScriptforMulti-bodyContactAnalysis

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#創(chuàng)建模型

executeOnCaeStartup()

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

a=mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

g,v,d,c=a.geometry,a.vertices,a.dimensions,a.constraints

a.rectangle(point1=(0.0,0.0),point2=(100.0,50.0))

p=mdb.models['Model-1'].Part(name='Part-1',dimensionality=THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

p.BaseShell(sketch=a)

a.unsetPrimaryObject()

p=mdb.models['Model-1'].parts['Part-1']

#定義接觸對(duì)

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=p)

mdb.models['Model-1'].ContactProperty('Int-Prop-1')

mdb.models['Model-1'].interactionProperties['Int-Prop-1'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,

directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,pressureDependency=OFF,

temperatureDependency=OFF,dependencies=0,table=((0.3,),),

shearStressLimit=None,maximumElasticSlip=FRACTION,fraction=0.005,

elasticSlipStiffness=None)

mdb.models['Model-1'].Surface(name='Surface-1',side1Edges=p.edges.findAt(((50.0,25.0,0.0),),))

mdb.models['Model-1'].Surface(name='Surface-2',side1Edges=p.edges.findAt(((50.0,25.0,50.0),),))

mdb.models['Model-1'].ContactStd(name='Contact-1',createStepName='Initial',

master='Surface-1',slave='Surface-2',sliding=FINITE,

interactionProperty='Int-Prop-1',adjustMethod=NONE,initialClearance=OMIT,

datumAxis=None,clearanceRegion=None)

#設(shè)置摩擦系數(shù)

mdb.models['Model-1'].interactionProperties['Int-Prop-1'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,

directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,pressureDependency=OFF,

temperatureDependency=OFF,dependencies=0,table=((0.2,),),

shearStressLimit=None,maximumElasticSlip=FRACTION,fraction=0.005,

elasticSlipStiffness=None)此示例展示了如何在ABAQUS中定義一個(gè)包含兩個(gè)表面的接觸對(duì)，并設(shè)置摩擦系數(shù)為0.2。7.2摩擦與磨損模擬7.2.1原理摩擦和磨損是接觸分析中的關(guān)鍵因素，特別是在設(shè)計(jì)和分析機(jī)械系統(tǒng)時(shí)。ABAQUS提供了多種摩擦模型，包括干摩擦、粘性摩擦和溫度依賴(lài)摩擦等，以模擬不同條件下的摩擦行為。磨損模擬則通過(guò)定義磨損率和磨損模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，這有助于評(píng)估材料在接觸過(guò)程中的損耗。7.2.2內(nèi)容摩擦模型：選擇合適的摩擦模型對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)接觸面的摩擦行為至關(guān)重要。磨損模型：定義磨損率和磨損機(jī)制，以評(píng)估接觸面的材料損耗。溫度效應(yīng)：在某些應(yīng)用中，摩擦產(chǎn)生的熱量可能會(huì)影響接觸行為，需要考慮溫度效應(yīng)。7.2.3示例#ABAQUSPythonScriptforFrictionandWearSimulation

mdb.models['Model-1'].ContactProperty('Int-Prop-2')

mdb.models['Model-1'].interactionProperties['Int-Prop-2'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,

directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=ON,pressureDependency=ON,

temperatureDependency=ON,dependencies=3,table=((0.2,1.0,200.0,0.1),(0.3,2.0,300.0,0.2)),

shearStressLimit=None,maximumElasticSlip=FRACTION,fraction=0.005,

elasticSlipStiffness=None)

mdb.models['Model-1'].ContactStd(name='Contact-2',createStepName='Initial',

master='Surface-1',slave='Surface-2',sliding=FINITE,

interactionProperty='Int-Prop-2',adjustMethod=NONE,initialClearance=OMIT,

datumAxis=None,clearanceRegion=None)

#設(shè)置溫度依賴(lài)的摩擦系數(shù)

mdb.models['Model-1'].interactionProperties['Int-Prop-2'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,

directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=ON,pressureDependency=ON,

temperatureDependency=ON,dependencies=3,table=((0.2,1.0,200.0,0.1),(0.3,2.0,300.0,0.2)),

shearStressLimit=None,maximumElasticSlip=FRACTION,fraction=0.005,

elasticSlipStiffness=None)此示例展示了如何在ABAQUS中定義一個(gè)溫度依賴(lài)的摩擦模型，并將其應(yīng)用于接觸對(duì)。7.3大變形接觸問(wèn)題處理7.3.1原理大變形接觸問(wèn)題通常發(fā)生在結(jié)構(gòu)或組件經(jīng)歷顯著幾何變化的情況下，如碰撞、成型或生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。ABAQUS通過(guò)使用非線(xiàn)性接觸算法和大變形理論來(lái)處理這類(lèi)問(wèn)題，確保即使在極端變形條件下也能準(zhǔn)確模擬接觸行為。7.3.2內(nèi)容非線(xiàn)性接觸算法：ABAQUS使用先進(jìn)的非線(xiàn)性算法來(lái)解決大變形接觸問(wèn)題，包括罰函數(shù)法和拉格朗日乘子法。大變形理論：在分析中考慮幾何非線(xiàn)性，以準(zhǔn)確模擬大變形條件下的接觸行為。網(wǎng)格適應(yīng)性：在大變形分析中，網(wǎng)格的適應(yīng)性對(duì)于保持分析精度至關(guān)重要。7.3.3示例#ABAQUSPythonScriptforLargeDeformationContactAnalysis

mdb.models['Model-1'].ContactProperty('Int-Prop-3')

mdb.models['Model-1'].interactionProperties['Int-Prop-3'].TangentialBehavior(formulation=FINITE,

directionality=ISOTROPIC,slipRateDependency=OFF,pressureDependency=OFF,

temperatureDependency=OFF,dependencies=0,table=((0.3,),),

shearStressLimit=None,maximumElasticSlip=FRACTION,fraction=0.005,

elasticSlipStiffness=None)

mdb.models['Model-1'].ContactStd(name='Contact-3',createStepName='Initial',

master='Surface-1',slave='Surface-2',sliding=FINITE,

interactionProperty='Int-Prop-3',adjustMethod=NONE,initialClearance=OMIT,

datumAxis=None,clearanceRegion=None)

#設(shè)置大變形接觸分析

mdb.models['Model-1'].steps['Step-1'].setValues(analysisType=NONLINEAR,

nlgeom=ON)此示例展示了如何在ABAQUS中設(shè)置大變形接觸分析，通過(guò)將nlgeom參數(shù)設(shè)置為ON來(lái)考慮幾何非線(xiàn)性。通過(guò)上述示例，我們可以看到ABAQUS在處理多體接觸、摩擦與磨損模擬以及大變形接觸問(wèn)題時(shí)的靈活性和強(qiáng)大功能。這些技術(shù)對(duì)于在工程設(shè)計(jì)和材料科學(xué)中進(jìn)行精確的接觸行為分析至關(guān)重要。8案例研究與實(shí)踐8.1簡(jiǎn)單接觸問(wèn)題分析在ABAQUS中，接觸分析是模擬兩個(gè)或多個(gè)物體在接觸界面處相互作用的一種方法。接觸可以是滑動(dòng)的、粘著的，或者介于兩者之間。ABAQUS提供了多種接觸類(lèi)型，包括面-面接觸、點(diǎn)-面接觸等，以適應(yīng)不同的工程需求。8.1.1原理接觸分析的核心在于定義接觸對(duì)，即哪些表面可以接觸，以及它們之間的相互作用。ABAQUS通過(guò)接觸對(duì)的定義，自動(dòng)計(jì)算接觸力和接觸位移，從而確保模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。8.1.2內(nèi)容定義接觸對(duì)在ABAQUS中，接觸對(duì)的定義通常包括主表面和從表面。主表面通常是較硬的表面，而從表面則可能變形或移動(dòng)。例如，在模擬螺栓與孔的接觸時(shí)，螺栓的表面可以定義為主表面，孔的表面定義為從表面。設(shè)置接觸屬性接觸屬性包括摩擦系數(shù)、接觸剛度等。這些屬性對(duì)于模擬接觸界面的行為至關(guān)重要。例如，摩擦系數(shù)的設(shè)置可以影響接觸面之間的滑動(dòng)行為。施加載荷和邊界條件接觸分析中，正確施加載荷和邊界條件是確保分析準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。這包括確定載荷的大小、方向，以及模型的約束條件。8.1.3示例假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的接觸問(wèn)題，即一個(gè)球體壓在一個(gè)平面上。我們將使用ABAQUS進(jìn)行接觸分析。#ABAQUS簡(jiǎn)單接觸問(wèn)題分析示例

#導(dǎo)入ABAQUS模塊

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#創(chuàng)建模型

executeOnCaeStartup()

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

mdb.models.changeKey(fromName='Model-1',toName='ContactExample')

mdb.models['ContactExample'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

mdb.models['ContactExample'].sketches['__profile__'].CircleByCenterPerimeter(

center=(0.0,0.0),point1=(0.0,50.0))

mdb.models['ContactExample'].Part(dimensionality=THREE_D,name='Ball',type=

DEFORMABLE_BODY)

mdb.models['ContactExample'].parts['Ball'].BaseSolidExtrude(depth=100.0,

sketch=mdb.models['ContactExample'].sketches['__profile__'])

delmdb.models['ContactExample'].sketches['__profile__']

#創(chuàng)建平面

mdb.models['ContactExample'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

mdb.models['ContactExample'].sketches['__profile__'].rectangle(point1=(-100.0,

-100.0),point2=(100.0,100.0))

mdb.models['ContactExample'].Part(dimensionality=THREE_D,name='Plate',type=

DEFORMABLE_BODY)

mdb.models['ContactExample'].parts['Plate'].BaseSolidExtrude(depth=1.0,

sketch=mdb.models['ContactExample'].sketches['__profile__'])

delmdb.models['ContactExample'].sketches['__profile__']

#定義接觸對(duì)

mdb.models['ContactExample'].ContactProperty('IntProp-1')

mdb.models['ContactExample'].interactionProperties['IntProp-1'].TangentialBehavior(

dependencies=0,directionality=ISOTROPIC,elasticSlipStiffness=None,

formulation=PENALTY,fraction=0.005,maximumElasticSlip=FRACTION,

pressureDependency=OFF,shearStressLimit=None,slipRateDependency=OFF,

table=((0.3,),),temperatureDependency=OFF)

mdb.models['ContactExample'].SurfaceToSurfaceContactStd(name='Int-1',

createStepName='Initial',interactionProperty='IntProp-1',

master='Plate-1',slave='Ball-1',sliding=FINITE,thickness=ON)

#設(shè)置邊界條件和載荷

mdb.models['ContactExample'].DisplacementBC(name='BC-1',createStepName='Step-1',

region=mdb.models['ContactExample'].parts['Ball'].sets['Set-1'],u1=0.0,u2=0.0,

u3=-10.0,ur1=UNSET,ur2=UNSET,ur3=UNSET,amplitude=UNSET,

distributionType=UNIFORM,fieldName='',localCsys=None)

#運(yùn)行分析

mdb.models['ContactExample'].steps['Step-1'].setValues(maxNumInc=1000)

['Job-1'].setValues(model='ContactExample',numCpus=4,numDomains=4)

['Job-1'].submit(consistencyChecking=OFF)

['Job-1'].waitForCompletion()在這個(gè)示例中，我們首先創(chuàng)建了一個(gè)球體和一個(gè)平面，然后定義了它們之間的接觸對(duì)。我們使用了標(biāo)準(zhǔn)的面-面接觸，并設(shè)置了接觸屬性。最后，我們施加了邊界條件和載荷，運(yùn)行了分析。8.2復(fù)雜結(jié)構(gòu)接觸仿真示例在處理更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時(shí)，接觸分析的設(shè)置和調(diào)試變得更加關(guān)鍵。例如，模擬齒輪嚙合、復(fù)合材料層間接觸等，需要更精細(xì)的接觸屬性設(shè)置和更復(fù)雜的模型構(gòu)建。8.2.1內(nèi)容構(gòu)建復(fù)雜模型構(gòu)建復(fù)雜模型可能涉及多個(gè)部件、不同的材料屬性和復(fù)雜的幾何形狀。定義多對(duì)接觸在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，可能需要定義多個(gè)接觸對(duì)，以模擬不同部件之間的相互作用。調(diào)整接觸屬性對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，接觸屬性的調(diào)整可能需要多次迭代，以找到最符合實(shí)際情況的設(shè)置。8.2.2示例假設(shè)我們正在模擬一個(gè)齒輪箱內(nèi)的齒輪嚙合問(wèn)題，齒輪箱包含兩個(gè)齒輪和一個(gè)箱體。#ABAQUS復(fù)雜結(jié)構(gòu)接觸仿真示例

#導(dǎo)入ABAQUS模塊

fromabaqusimport*

fromabaqusConstantsimport*

fromcaeModulesimport*

fromdriverUtilsimportexecuteOnCaeStartup

#創(chuàng)建模型

executeOnCaeStartup()

session.viewports['Viewport:1'].setValues(displayedObject=None)

mdb.models.changeKey(fromName='Model-1',toName='GearBox')

mdb.models['GearBox'].ConstrainedSketch(name='__profile__',sheetSize=200.0)

#創(chuàng)建齒輪和箱體的幾何形狀，此處省略具體代碼，假設(shè)已創(chuàng)建完成

#定義接觸對(duì)

mdb.models['GearBox'].ContactProperty('GearContact')

mdb.models['GearBox'].interactionProperties['GearContact'].TangentialBehavior(

dependencies=0,directionality=ISOTROPIC,elasticSlipStiffness=None,

formulation=PENALTY,fraction=0.005,maximumElasticSlip=FRACTION,

pressureDependency=OFF,shearStressLimit=None,slipRateDependency=OFF,

table=((0.3,),),temperatur