LS-DYNA接触问题详解：原理、类型与单向接触应用

接触问题的处理是许多大变形问题中的基本环节，不同体之间精确接触模型的建立对于提高有限元模型的预测能力是至关重要的。LS-DYNA拥有大量的接触类型，其中，一些类型专门用于特殊问题，而其他类型则适用于更多的常见问题。

此外，LS-DYNA中还有许多旧版本的接触类型。尽管它们目前很少用到，但还是被保留了下来，以保证顺利计算那些建立在旧版本上的有限元模型。用户在进行有限元前处理时，会发现有非常多的接触类型可供选择，而这份文档则将对LS-DYNA中的接触类型进行相关的概述，以便作为用户选择接触类型和接触参数的一份参考手册。

接触是如何工作的

在LS-DYNA中，接触是通过给定需要程序检查的，可能发生从节点穿透主面段的位置（location）来定义的，这里的“位置”可以来自部件、部件集合、面段集合以及节点集合。在计算中的每一个时间步，程序会利用多个算法中的某一种来查找可能发生的穿透。

例如在基于罚函数的接触中，当程序检测到穿透发生，就会对穿透的节点施加穿透深度成比例的力以便抵抗穿透的继续进行，并最大可能地消除已经出现的穿透现象。除非另行声明，否则这里讨论的接触均是基于罚函数的接触类型，而不是基于约束的接触类型。

在罚函数接触中，可能会出现刚性体，为了使接触力可以如实分布到接触面上，我们建议对刚性体的网格划分密度要和变形体的密度一致。

尽管我们可以很方便，很高效地在一个模型中定义某一中接触，以处理可能发生的接触问题，但是请不要在同一个接触面上定义多个接触。通常，在同一个接触面上定义的多个接触会产生多个接触力，这会导致计算不稳定。

为了使用户可以灵活地处理各种接触问题，LS-DYNA提供了多种接触类型和接触参数，用来控制接触问题处理过程中的不同设置。在下面的几节中，我们首先介绍了不同的接触类型并给出可用于哪些应用问题的建议，然后给出了一些可用的接触参数。

接触类型

Type 1：*CONTACT_SLIDING_ONLY

只发生相对滑移，无穿透

Type 2：*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE

接触面绑定，横向自由度被约束；节点和面之间的距离存于OFFSET选项中

Type 3：*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE

检查每一个从节点是否穿透主面；对于壳单元面，法向的取向是很重要的

Type 4： *CONTACT_SINGLE_SURFACE

Type 13： *CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE

Type a13： *CONTACT_AIRBAG_SINGLE_SURFACE

Type 26： *CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL

Type i26： *CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL_INTERIOR

在预定义的接触范围内生效的通用接触；可用于屈曲，折叠的情况；接触面可能是不连续的；非常耗费CPU计算时间

Type 5： *CONTACT_NODES_TO_SURFACE

检查每一个从节点是否穿透主面  ；优点为这一接触的定义很简单

Type 6： *CONTACT_TIED_NODES_TO_SURFACE

节点和面之间的横向自由度被约束；节点和面段之间的距离存于OFFSET选项；不传递力矩

Type 7： *CONTACT_TIED_SHELL_EDGE_TO_SURFACE

节点和面之间的横向和轴向自由度都被约束；节点和面之间的距离存于CONSTRAINED_OFFSET和BEAM_OFFSET中

Type 8: *CONTACT_TIEBREAK_NODES_TO_SURFACE

Type i8: *CONTACT_TIEBREAK_NODES_ONLY

与type6类似，但是增加了失效准则

Type 9： *CONTACT_TIEBREAK_SURFACE_TO_SURFACE

与Type8类似；使用的是应力而不是力；m=n=2

Type 10： *CONTACT_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE

只检查从节点是否穿透主面

Type 11： *CONTACT SINGLE EDGE

*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE (with SOFT=2, SBOPT=3 and DEPTH=5)

*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL_INTERIOR

在撞击分析中，可能会发生非常大的变形，同时预判接触将会在哪里以及如何发生是非常难甚至不可能的。所以这种情况下我们建议使用自动接触，因为这种接触无需给定取向，也就是可以检测来自壳单元每一侧的接触。

在LS-DYNA中，如果*CONTACT关键字中存在AUTOMATIC字样，这说明该接触为自动接触。与旧版本的接触相比，自动接触中使用的算法使其更适合于不连贯的网格。对于壳单元，自动接触给定的接触面平行于壳单元的中面，距离为接触厚度的一半；同时在壳单元面的边界上，接触面以接触面厚度的一半为半径绕边界翻转，从而形成一个连续的接触面。

我们一般以壳单元的厚度为参考选定接触面到壳中面的距离（此句存疑）。接触定义过程中有许多可选参数供使用，用户可以据此直接定义或者通过缩放来定义接触厚度。若用户没有定义接触厚度，则接触厚度等于壳厚度（在单面接触中，接触厚度等于桥厚度和单元边长中的最小值）。

同样的，在考虑梁的接触是，梁单元的接触面与梁中轴线的距离为梁横截面的等效半径。正是因为接触面是由壳的中面和梁的中性轴偏置而来，所以在有限元建模中，为了表示壳的厚度和梁的横截面尺寸而留下的壳部件之间与梁部件之间的间隙尺寸就显得至关重要。不合适的间隙尺寸则会导致接触面上出现初始穿透的现象。

LS-DYNA将通过移动穿透的从节点到主面的方式消除初始穿透。并不是所有的初始穿透都需要消除，否则可能会导致不符合物理规则的接触行为的发生。设置一个精确地初始几何模型总是会花费很大时间。

在从节点开始被释放，其接触力设为0之前，LS-DYNA中的大部分接触类型会针对最大穿透深度给定一个上限。这主要发生于自动接触中，用于避免从节点穿过壳的中面时在反方向产生较大的接触力。

不同接触类型对应的最大接触深度以表格的形式列在了用户手册v.960的表6.1中。有时自动接触并未起到作用，这是因为早在计算的开始就达到了接触的起始点，这主要发生于接触面中存在有非常薄的壳单元的情况下。此时利用缩放系数放大接触厚度或者直接设置一个大于壳单元厚度的接触厚度可以避免接触失效的发生。或者设置soft=1也可以解决这个问题。

单向接触

单相接触允许压缩载荷在从节点和主面之间进行传递；如果接触中有设置摩擦系数，那么同样可以传递在相对滑移时出现的剪切载荷。静摩擦到动摩擦的转换由库伦摩擦和指数插值函数实现，这就需要设置一个延迟系数，使得静摩擦系数大于动摩擦系数。

单向接触中的“单向”一词的意思是只针对用户定义的从节点进行是否穿透主面的检查，单相接触主要适用于主面是刚体的情况，例如成型模拟中的冲头和模具。当一个有较细网格的从面撞击另一个有较粗网格的主面，同时两者均为变形体，则单相接触不适合使用。另外常见的应用为梁-面或壳边界-面的接触，此种情况下梁的节点和壳边界上的节点应设置成从节点的集合。

激活单相接触有多种选择：

对于气囊（从）和人体模型（主）之间的接触，主要使用如下两种接触之一：

*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE (a5)

*CONTACT_AUTOMATIC_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE (a10)

对于金属成型问题，建议使用如下定制的单向成型接触，其中接触发生位置定义在了从面一侧：

*CONTACT_FORMING_NODES_TO_SURFACE (m5)

*CONTACT_FORMING_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE (m10)

成型接触中的取向确定是自动完成的。刚性刀具的表面可以由不连续的单元块组成，这些单元块附近的节点有时会被合并起来，但是这种情况并不常见。这些单元块的方向并不一致，但是在计算初始化时它们会被重新确定方向（此句存疑）。成型接触可以追踪那些在刀具表面上的单元块之间移动的属于坯料的节点，利用罚接触力限制穿透的出现。通常我们推荐使用ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE这一选项，因为在自适应网格中该选项考虑到了主节点到从面的穿透，若不使用这一选项，则无法对坯料进行足够精细的重新分网，从而捕捉主面的尖锐部分，最终导致主面向从面突出。

当通过分析可以得知面的方向时，下面这几个非自动接触类型可能会很有效：

*CONTACT_NODES_TO_SURFACE (5)

*CONTACT_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE (10)

*CONTACT_CONSTRAINT_NODES_TO_SURFACE (18)

*CONTACT_ERODING_NODES_TO_SURFACE (16)

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