CAE软件操作小百科（40）

收稿日期： 2017[KG*9〗12[KG*9〗01

作者简介： 詹思远（1995—），男，湖南益阳人，硕士研究生，研究方向为锂电池电极材料扩散/反应应力及其耦合本构关系，

（Email）2013sssy@tongji.edu.cn在Abaqus中进行接触分析时，往往需要定义接触对。接触对的定义直接影响计算的收敛能力和计算精度，因此简单说明一下接触对定义的技巧。Abaqus/Standard的接触对由主面（master surface）和从面（slave surface）构成。在模拟过程中，接触方向总是主面的法线方向，从面上的节点不会穿越主面，但主面上的节点可以穿越从面。在定义主面和从面时要注意以下问题。

1主从面的定义

（1）选择刚度较大的面作为主面。此处的刚度不仅要考虑材料特性，也要考虑结构刚度。刚体必须作为主面，从面必须是柔体上的面（可以是施加了刚体约束的柔体）。

（2）如果2个接触面的刚度相似，则应选择网格较粗的面为主面。

（3）主从面的节点位置不要求一一对应，但若有条件一一对应，则可得到更加精确的结果。

（4）主面不能由节点构成，并且必须连续。如果相对滑动形式为有限滑移，则主面在发生接触的部位必须是光滑的，不能有尖角。

（5）如果接触面在发生接触的部位有很大的凹角与尖角，应该将其分别定义为2个面。

（6）如果接触面为有限滑移，那么整个分析过程中尽量不要让从面节点落到主面之外，更不要落到主面的背面，否则会出现无法收敛的问题。

（7）一对接触面的法线方向应该相反，换言之，如果主面和从面在几何位置上没有发生重叠，则一个面的法线应指向另一个面（对于三维实体，法向应该指向实体的外侧）。如果法线方向错误，Abaqus会将其认为是过盈量很大的接触，因而无法达到收敛。一般来说，对于柔性的三维实体，Abaqus会自动选择正确的法向方向，而在使用梁单元、壳单元、膜单元、桁架单元或刚体单元定义接触时，应仔细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，否则会出现收敛问题。如果主面在发生接触的部位存在尖角或凹角，应该在此尖角处把主面分为2部分分别定义。对于有单元构成的主面，Abaqus会自动进行平滑处理。

对于小滑移的接触对，Abaqus/Standard在分析的开始就确定从面节点与主面的关系，在整个分析过程中这种接触关系不会再发生变化。

3接触面间的几何尺寸位置和Adjust参数

如果不特别设置，Abaqus会直接根据模型尺寸、位置判断从面与主面的距离，从而确定二者的接触状态。这要求建模时模型尺寸应非常精确。一般情况下，模型尺寸往往会存在误差，所以应该利用Adjust参数调整从面节点的初始坐标。如果从面节点与主面的距离小于这个参数，Abaqus将调整这些节点的初始坐标，使其与主面的距离为零（刚好接触）。

4无法收敛问题

在进行接触分析时，难免会遇到无法收敛的问题，下面阐述解决接触分析中的无法收敛问题的主要方法。分析无法达到收敛，往往是因为模型有问题，例如存在刚体位移、过约束、接触定义不当等，这时应该查看MSG文件，然后采取相应措施。可以考虑以下方法解決无法收敛问题。

（1）检查接触关系、边界条件和约束。检查接触面、接触参数和边界条件的定义是否正确，其中包括表面的定义，SET接触类型的定义，滑移形式的定义等。

（2）消除刚体位移。在静力分析中，必须对模型中的所有实体都定义足够的约束条件，以保证其在各个平移和转动自由度上都不会出现不确定的刚体位移。

（3）使用绑定约束。如果某一对接触面的接触状态对整个模型影响不大，或者这一对接触面在整个分析过程中都是始终紧密接触的，可以考虑将其间的接触关系改为绑定约束，这样会消除刚体位移，并且大大减少计算接触状态所需要的迭代时间。

（4）正确定义绑定约束和过盈接触。如果定义绑定约束，或使用*CONTACT INTERFERENCE定义过盈接触，必须让Adjust略大于主面与从面在模型中的距离，否则这2个面之间不会建立过盈接触或绑定约束。

（5）平稳建立接触关系。一般应首先定义一个只有很小载荷的分析步，让接触关系平稳地建立起来，然后在下一个分析步中再施加真实载荷。这样这可大大减小收敛的困难程度。

（6）细化网格。细化从面和主面的网格，过于粗糙的网格会使Abaqus难以确定接触关系。

（7）使用一阶单元。若接触属性为“硬”接触，则不能使用六面体二次单元C3D20和C3D20R，以及四面体二次单元C3D10，而应尽可能使用六面体一阶单元。无法划分六面体单元的，可使用修正的四面体二次单元C3D10M。

（8）正确定义主从面。

（9）避免过约束。如果节点在某个自由度上同时定义2个以上的约束，就会出现过约束。在检查模型时，应该检查边界条件、连接单元、子模型边界和各种约束。

（10）摩擦因数。对摩擦的计算会增大收敛的难度，摩擦因数越大越不容易收敛。因此，如果摩擦对分析结果影响不大，可直接指定摩擦因数为0。

（11）解决振颤问题。考虑主面要足够大，保证从面节点不会滑出主面或落到主面的背面；使用自动过盈接触限度（automatic overclosure tolerance）会有助于解决振颤问题；主面应足够平滑。

（12）减小初始时间增量步。如果模型中有塑性材料，或分析过程模型会发生很大的位移或局部变形，或施加载荷后会使模型接触状态发生很大的变化，则应指定较小的初始增量步。

（摘自同济大学郑百林教授《CAE操作技能与实践》课堂讲义）