LS-DYNA核心技术揭秘：接触算法与TIEBREAK接触

TIEBREAK接触即为带有失效的TIE（绑定）接触类型，在有限元分析中，需要使用这种接触的场合很多，例如可以用于模拟两种物体之间的粘接层，也可以用于定义不同工况下两个物体之间相对运动关系，甚至可以用于模拟I型裂纹的扩展。尤其是在模拟粘接层时，这种接触的定义过程比使用粘聚力单元更为简单方便，主要体现在参数的选取较少且易得，以及计算效率更高两方面。

在数值模型中，普通的接触类型只能传递压力，相互接触的部件一旦收到拉力就会互相分离。要传递拉力就需要使用绑定接触。TIE接触可以在界面之间传递压力和拉力，而TIEBREAK接触则是在TIE接触的基础上增加可选的失效准则。对于参加了TIEBREAK的节点而言，还可以参与其他约束类的设置，例如NODAL_RIGID_BODY， SPOTWELD等。此外，TIE接触是基于约束的接触类型，而TIEBREAK接触则是基于罚函数的接触类型。在定义了TIEBREAK接触之后，界面两侧的单元无法发生相对滑移。

1.接触算法

如下图所示，对于大多数的接触类型（除了面到面接触），程序对接触模型的计算都是始于针对接触对中从节点和主面段之间相对位置的处理。从节点具有质量；而主面段为三节点或四节点，可以使壳单元，也可以是实体单元的一个面。

通过将从节点沿主面段的法线方向投影，可以在主面段上“收集”到投影后的从节点。

一旦成功收集到从节点，那么这一对从节点和主面段就会定义为一个接触对参加后续的接触计算。为了成功搜索到主面段边界附近的从节点投影，还可以通过参数设置来扩展主面段的面积，如下图所示。对于普通接触来说，在每一个循环步中都会进行了上述的搜索运算，而对于绑定接触，则只会在程序开始之初运行一次搜索运算。

根据从节点到主面段的投影距离可以确定此时两者的相对状态。以主面段上的局部坐标系为参考，若投影距离为负数，则两者相互穿透；

若为正数，则无穿透；

若为零，则从节点在主面段上，如下图所示。

普通接触类型只会处理穿透的情况。此时，程序会根据穿透距离和接触刚度对从节点产生一个指向主面段的接触力，迫使其穿透距离逐渐减小。

其中，f（s）为接触力，K（c）为接触刚度，delta为穿透距离。

而对于TIE接触和TIEBREAK接触，程序还会对无穿透的从节点施加接触力，使得从节点一直保持穿透距离为零的状态。当失效准则达到后，绑定接触失效，两个部件之间的接触类型转换为普通接触（除了TIEBREAK_NODES_ONLY）。

接触力不仅作用于从节点，同时还会作用于主面段的节点。每个节点所受接触力的大小取决于其与从节点的相对位置，这里不再详述。

失效准则有两种：对于单向接触，失效准则为force；对于双向接触，失效准则为stress。

2.不同的TIEBREAK接触

TIEBREAK接触可以分为两大类，自动接触和非自动接触：

自动接触：

*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK

*CONTACT_AUTOMATIC_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK

非自动接触：

*CONTACT_TIEBREAK_NODES_TO_SURFACE

*CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE

*CONTACT_TIEBREAK_NODES_ONLY

这两种TIEBREAK的区别主要在以下几个方面：

1）参与绑定接触的从节点

对于一个从节点，假如其投影距离为零、负数或正数（小于主面段对角线长度的1%），那么称这一从节点与其对应的主面段处于初始接触的状态。

当绑定接触为自动接触时，若其OPTION选项为1或3，那么程序会将初始接触的从节点和在之后计算过程中与主面段接触的从节点均设为绑定状态；OPTION选项为其他时，程序只会将初始接触的从节点设为绑定状态。

当绑定接触为非自动接触时，程序会将所有用户设置的从节点都绑定到主面段上，而不会计算投影距离。所以当我们使用非自动绑定接触时，为了使程序运行更为稳定，不要使绑定状态下的从节点离主面段的距离太远，一般为不超过主面段对角线距离的10%。

2）失效准则

自动TIEBREAK接触只能设置应力为失效准则；非自动TIEBREAK接触既可以设置应力为失效准则，还可以设置力为失效准则。

3）壳单元的方向

自动TIEBREAK接触可以自动调整壳单元的法线方向；

非自动TIEBREAK接触则不可以，必须将接触面两侧的壳单元的方向手动设置为相对的。但是有一种例外，就是在双向非自动接触中，设置THKOFF选项为1可以激活厚度偏置，这样就可以自动处理壳的方向。

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