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【LS-DYNA中的接觸問題】氣囊接觸，邊到邊接觸，剛體接觸

2019-04-23 22:28:40·  來源：汽車碰撞安全仿真在線  
　
氣囊接觸若在有限元模擬中引入氣囊并使其與其他部件發(fā)生相互作用，那么此時(shí)應(yīng)設(shè)置特殊的接觸模型。下面是考慮氣囊的接觸問題時(shí)的一些難點(diǎn)：氣囊節(jié)點(diǎn)速度很高 ( 1
氣囊接觸
若在有限元模擬中引入氣囊并使其與其他部件發(fā)生相互作用，那么此時(shí)應(yīng)設(shè)置特殊的接觸模型。下面是考慮氣囊的接觸問題時(shí)的一些難點(diǎn)：
氣囊節(jié)點(diǎn)速度很高 (> 100m/s)
氣囊非常軟 (E < 50Mpa)
氣囊非常薄 (< 0.5mm)
折疊的氣囊經(jīng)常會(huì)發(fā)生初始穿透
氣囊編織層的處理

為了實(shí)現(xiàn)氣囊接觸穩(wěn)定和精確的求解，我們建議使用如下接觸類型和參數(shù)。

01、氣囊的自接觸
 
強(qiáng)烈建議使用*CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SURFACE來處理氣囊的編織層之間的自接觸。這一接觸類型源于*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，但是針對氣囊的折疊問題中的難點(diǎn)進(jìn)行了重大修改。
 
在使用SMP（對稱多處理器技術(shù)，Symmetrical Multi-Processing）時(shí)，我們建議使用SOFT = 2選項(xiàng)，這一選項(xiàng)可以處理折疊氣囊的初始穿透問題，同時(shí)所調(diào)用的面段到面段接觸搜尋方法在處理氣囊的折疊及未折疊部分的復(fù)雜幾何形狀時(shí)更為有利。使用了SOFT = 2的接觸模型計(jì)算成本較高，因此此時(shí)應(yīng)提高計(jì)算機(jī)的性能；此外下圖表示了一種由SOFT = 2轉(zhuǎn)換為SOFT = 1或0的方法。我們可以通過設(shè)置生效時(shí)間和失效時(shí)間來實(shí)現(xiàn)當(dāng)氣囊不再折疊時(shí)接觸類型由SOFT = 2轉(zhuǎn)換為SOFT = 1，這種聯(lián)合使用兩種接觸類型的辦法可以提高計(jì)算的穩(wěn)定性和效率。
氣囊自接觸算法的轉(zhuǎn)換
在使用MPP（大規(guī)模并行處理，Massively Parallel Processing）時(shí)，SOFT = 2將不再有效，此時(shí)必須使用SOFT = 1或0。那么我們就需要設(shè)置一個(gè)氣囊厚度隨時(shí)間的變化曲線，使得氣囊折疊時(shí)厚度非常小，而氣囊展開后厚度變大。這樣的設(shè)置可以避免初始穿透，同時(shí)保證氣囊展開后可實(shí)現(xiàn)較好的接觸行為；具體設(shè)置位置為*CONTACT中設(shè)置卡A中的LCIDAB選項(xiàng)。此外，我們還可以使用設(shè)置卡C中的IGNORE = 1選項(xiàng)來直接忽略初始穿透現(xiàn)象；這一方法首次出現(xiàn)在960版本之中，還未徹底驗(yàn)證其在氣囊接觸問題中的效用。

02、氣囊與結(jié)構(gòu)之間的接觸
 
在氣囊的工作過程中，會(huì)與許多部件發(fā)生接觸，例如方向盤 ，乘客，儀表盤，門飾，側(cè)簾，座椅等。這種情況下，我們建議使用雙向接觸，例如*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_ TO_SURFACE。假如使用了單面接觸例如*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE，并由氣囊節(jié)點(diǎn)組成從面，程序?qū)⒉粫?huì)檢測到部件節(jié)點(diǎn)穿透氣囊面段的行為，這樣一來，即使網(wǎng)格劃分十分精細(xì)的部件也會(huì)出現(xiàn)明顯的穿透氣囊的現(xiàn)象。在氣囊和部件之間的接觸模型中使用*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE接觸類型也是不明智的，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致重復(fù)進(jìn)行氣囊編制層自接觸運(yùn)算。
 
氣囊與部件接觸的難點(diǎn)很大程度在于不同材料的體積模量相差很大（可能相差1000倍），同時(shí)氣囊編制層非常的薄。為了避免由于編制層過薄而提前觸發(fā)釋放節(jié)點(diǎn)的情況，建議將氣囊的接觸厚度設(shè)置為1.0mm這一最小值。由于不同材料類型的存在，強(qiáng)烈建議使用SOFT = 1選項(xiàng)，這樣就不需要對罰函數(shù)因子進(jìn)行不斷的微調(diào)。下圖是一個(gè)氣囊接觸問題的實(shí)例。
氣囊接觸的定義
 
邊到邊的接觸
 
由于搜尋算法只關(guān)注節(jié)點(diǎn)到面段之間的穿透，所以大部分接觸類型都不考慮邊到邊的穿透問題。在大多數(shù)情況下這些接觸類型都已經(jīng)足夠使用，但是在一些特殊的殼接觸問題中，邊與邊之間的變得非常重要。下面介紹了處理邊到邊接觸的一些方法，并對它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評價(jià)。
 
排除內(nèi)部邊的*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL 
 
如圖下圖所示，默認(rèn)情況下，*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL 在邊到邊接觸中只考慮外部邊。其中只屬于一個(gè)單元或面段的邊稱為外部邊，而由兩個(gè)或多個(gè)單元或面段共享的邊稱為內(nèi)部邊。在接觸計(jì)算中，程序會(huì)檢測外部邊的整個(gè)長度，而非只檢測邊上的節(jié)點(diǎn)。與其他基于罰函數(shù)的接觸類型相同，SOFT=1可以有效處理不同材料之間的接觸問題。
殼單元的內(nèi)部邊和外部邊
 
考慮內(nèi)部邊的*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL
 
考慮內(nèi)部邊的邊到邊接觸可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn)。第一種方法利用了
 
*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL的梁到梁的接觸處理能力。這種方法屬于勞動(dòng)密集型，需要沿著要考慮其接觸問題的內(nèi)部邊創(chuàng)建空的梁單元（*ELEMENT_BEAM, *MAT_NULL），直徑大概為1mm（elform = 1, ts1 = ts2 = 1.2mm, tt1 = tt2 = 0 in *SECTION_BEAM），并將這些梁歸入一個(gè)單獨(dú)的AUTOMATIC GENERAL 接觸之中，如下圖所示。*MAT_NULL中的彈性常數(shù)用來確定接觸剛度，所以要設(shè)置一個(gè)合理的值。空梁單元不需要設(shè)置結(jié)構(gòu)剛度。
利用空梁單元處理邊到邊的接觸
我們更傾向于使用第二個(gè)辦法，即使用*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL_INTERIOR中的內(nèi)部邊這一選項(xiàng)，這一辦法會(huì)花費(fèi)一些額外計(jì)算成本。
 
*CONTACT_SINGLE_EDGE
與上面那些接觸不同，*CONTACT_SINGLE_EDGE只處理邊到邊的接觸，可以通過part ID，part set ID, 或 node set來定義從面，同時(shí)忽略主面。
 
剛體接觸
可以忽略變形同時(shí)所受應(yīng)力不重要的部件可以通過*MAT_RIGID or *CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY建為剛體。*MAT_RIGID中的彈性常數(shù)用于接觸剛度的確定，所以要設(shè)置為合理的值，一般使用鋼的參數(shù)。盡管LS-DYNA中有一些專門用于剛體的接觸（包含RIGID字樣的接觸），但是很少被用到。任何一個(gè)基于罰函數(shù)的接觸類型可以用于變形體接觸，同時(shí)也可以同于剛體接觸；實(shí)際上它們比RIGID接觸類型要更好。剛體和變形體要定義在同一個(gè)基于罰函數(shù)的接觸之中，基于約束的接觸不能用于剛體接觸。
 
剛體應(yīng)該有一個(gè)合適的網(wǎng)格密度，以便于捕捉部件的幾何形狀，太過粗糙的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的不穩(wěn)定。另一個(gè)建議是剛體接觸面上的節(jié)點(diǎn)間距不能比參與接觸的任何變形體更粗糙，因?yàn)檫@樣才會(huì)實(shí)現(xiàn)接觸力的合理分布。由于不計(jì)算剛體的應(yīng)力和應(yīng)變，因此剛體的精細(xì)網(wǎng)格并不會(huì)對計(jì)算產(chǎn)生影響。簡而言之，在剛體單元的劃分上不要太過吝嗇。
*CONTACT_ENTITY是另一種完全不同的辦法，可以定義與變形體節(jié)點(diǎn)相互接觸的解析剛體面。
 
總結(jié)
本文所有接觸類型大致可以分為四組：
Group A: Types 3, 5, 10 (SHLTHK = 0)
Group B: Types 3, 5, 10 (SHLTHK = 1)
Group C: Types 5, 13, 14, 15, 16, a3, a5, a10, 26
Group D: Types 19, 20, 21
來源丨本文翻譯自官方文檔
 
 
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