Comprendre Abaqus General Contact

Pour de nombreux analystes, le terme « contact » en analyse par éléments finis (AEF) évoque des configurations complexes, des difficultés de convergence et, souvent, des compromis en termes de précision. Traditionnellement, la modélisation du contact par paires de contacts était réputée pour ses exigences élevées en termes de préparation du modèle. L'utilisateur devait non seulement choisir manuellement les surfaces à contacter, mais aussi élaborer l'intégralité de la formulation du contact, spécifiant ainsi l'affectation des surfaces, l'approche de suivi des contacts et la méthode de discrétisation des surfaces.

Reconnaissant ces défis,Abaqusa introduit une solution révolutionnaire pour surmonter les limites inhérentes à l'approche traditionnelle des paires de contacts : General Contact. Cette méthode très sophistiquée de modélisation des problèmes de contact et d'interaction se distingue de la méthode des paires de contacts. Grâce à de puissants algorithmes de suivi, General Contact peut appliquer et simuler efficacement les conditions de contact, garantissant ainsi des résultats de simulation précis.Simulation SOLIDWORKSutilisateur, le principal avantage de l'utilisation du contact dans Abaqus (ou dansSTRUCTUREL 3DEXPÉRIENCE, qui utilise le solveur Abaqus) améliore la robustesse. Des fonctionnalités et des fonctionnalités spécifiques facilitent également la définition des contacts, ce qui peut faciliter leur exécution sur des assemblages volumineux. Dans cet article, on approfondit le contact général d'Abaqus.

Robustesse du contact général

Abaqus/Explicit

Le contact général dans Abaqus commence par la prescription du domaine de contact via une surface de contact automatique et exhaustive. Cette surface exhaustive comprend toutes les facettes de surface élémentaires, toutes les surfaces rigides analytiques et, dans le cas deAbaqus/Explicit– surfaces sur tous les matériaux eulériens (généralement utilisés pour les interactions fluide-structure). General Contact utilise des méthodes sophistiquées pour assurer le respect efficace des conditions de contact. Dans Abaqus/Explicit, il génère des forces de contact pour résister aux pénétrations de contact nœud-face, nœud-surface analytique rigide et bord à bord sur toute la surface, offrant ainsi une solution complète pour le respect du contact dans un large éventail de scénarios de simulation, sans recourir à des procédures complexes de définition de contact.

Lorsque des cas particuliers l'exigent, l'algorithme de contact général peut être utilisé conjointement avec l'algorithme de paires de contacts. Il est disponible pour les surfaces bidimensionnelles, axisymétriques et tridimensionnelles, mais ne peut être utilisé que dans les analyses de contact mécanique à glissement fini. Il ne prend pas en charge l'application des contraintes cinématiques, mais utilise la méthode des pénalités pour appliquer les contraintes de contact.

Abaqus/Standard

L'algorithme de contact général dansAbaqus/StandardDétecte et gère dynamiquement différents types de contact (surface à surface, bord à surface, bord à bord et sommet à surface) tout au long de l'analyse, améliorant ainsi sa capacité à gérer les interactions complexes. Utilisant une approche de suivi par glissement fini, il est particulièrement efficace pour les modèles tridimensionnels et constitue la seule méthode pour les modèles bidimensionnels et axisymétriques. Cet algorithme s'adapte parfaitement aux changements, passant d'une formulation de contact à l'autre de manière fluide au fil de l'analyse.

Figure 1 : Types de scénarios de contact pour deux blocs

Par exemple, dans une simulation d'encliquetage, la priorité peut être initialement donnée au contact bord-surface, puis progressivement au contact surface-surface à mesure que la zone d'engagement s'étend. Cette approche adaptative garantit une application précise des contraintes de contact et évite les problèmes numériques, rendant Abaqus/Standard robuste pour un large éventail de scénarios de simulation.

Pour illustrer la robustesse de l'algorithme de contact général, considérons une simulation impliquant un cuboïde en caoutchouc glissant sur le périmètre d'un cuboïde plus grand. Au début de l'analyse, lorsque le plus petit cuboïde s'approche du plus grand, un contact surface-surface est établi. L'algorithme détecte ensuite les changements de contact lorsque le cuboïde atteint un bord caractéristique du plus grand et met en œuvre une formulation de contact bord-surface. Cette approche instantanée améliore considérablement la robustesse et la fiabilité de l'algorithme pour gérer les changements de contact.

Figure 2 : Un cuboïde en caoutchouc glissant autour d'un autre cuboïde en caoutchouc

Commodité du contact général

Contact général, qu'il soit disponible dans Abaqus/Standard ou Abaqus/Explicit, permet à l'utilisateur de définir le domaine de contact avec souplesse et précision. Cela inclut la spécification d'inclusions de contact générales pour identifier les zones d'interaction potentielles et d'exclusions de contact pour omettre certaines interactions, garantissant ainsi une analyse précise et efficace.

Pour Abaqus/Standard et Abaqus/Explicit, le domaine de contact général peut être défini à l'aide d'une option « automatique », intégrant toutes les faces, arêtes et surfaces rigides analytiques des éléments extérieurs. Cette surface par défaut, exhaustive, simplifie la configuration en prenant automatiquement en compte toutes les interactions nœud-face, arête-arête et auto-contact possibles, sans nécessiter de spécification manuelle des paires de contacts individuelles. Les utilisateurs peuvent peaufiner le domaine de contact en spécifiant des surfaces ou des matériaux spécifiques à inclure ou exclure, et en ajoutant des attributions de propriétés individuelles. Ils peuvent aussi peaufiner la définition du contact général en l'ajustant tout au long de l'analyse, en activant et en désactivant certaines surfaces pour les intégrer au domaine de contact si nécessaire. Le processus est fluide et pratique, tout en offrant à l'analyste la possibilité d'ajuster et d'affiner le domaine de contact selon ses besoins.

Le processus de configuration est conçu pour appliquer d'abord les inclusions de contact, puis les exclusions, ces dernières étant prioritaires. Cette approche hiérarchique permet un contrôle précis des conditions de contact prises en compte dans la simulation, facilitant ainsi la modélisation d'assemblages et d'interactions complexes. Abaqus/Standard et Abaqus/Explicit génèrent automatiquement des exclusions de contact dans certaines situations, par exemple lorsque les interactions sont définies à l'aide de paires de contacts ou de contraintes de liaison surfaciques, afin d'éviter toute application redondante des contraintes d'interaction.

L'exemple suivant d'une analyse de tour Jenga illustre la commodité qu'apporte l'algorithme de contact général lors du traitement d'un grand nombre de pièces.

Considérez cette tour de Jenga, composée de 18 couches au total, chacune contenant trois pièces de Jenga. Ça donne un total de 54 pièces. Le caractère chaotique et imprévisible de cette analyse est illustré par l'animation ci-dessous. C'est pour cette raison que l'algorithme de contact général est utilisé, permettant de prendre en compte toutes les faces initialement en contact ainsi que celles susceptibles d'entrer en contact plus tard dans l'analyse.

Si cette analyse était effectuée sans l'algorithme de contact général, une sélection manuelle des faces de contact serait nécessaire pour obtenir un résultat comparable. Dans un souci d'explication, nous calculerons le nombre de faces de contact que l'analyste devra définir manuellement. Chaque pièce de Jenga possède 6 faces et, par mesure de sécurité, nous supposerons que chaque face peut entrer en contact avec les faces des 53 autres pièces. Cela signifie que chaque pièce de Jenga porte au total

Nous devons encore tenir compte des doublons, ce qui signifie que la face A touchant la face B est la même que la face B touchant la face A, donc le nombre de faces doit être divisé par 2. Et, pour tenir compte des 53 autres pièces de Jenga avec chacune de leurs faces, le nombre total de paires de contacts que l'analyste devrait prendre en compte est

51 516 est un nombre ridiculement élevé pour une telle analyse. On peut donc commencer à apprécier la robustesse et la commodité de l'algorithme de contact général.

Figure 3 : Animation de l'analyse de la tour Jenga

Fonctionnalités spéciales dans Contact général

Pénétration de la pression du fluide

UN charge de pénétration de pressionPermet de simuler la pression d'un fluide s'infiltrant entre des surfaces en contact. La charge de pression peut déformer les composants, créant potentiellement un petit espace exposant une surface supplémentaire à la pression. Cette fonctionnalité est extrêmement utile pour l'analyse de l'étanchéité, et elle est très efficace dans Abaqus, car elle ne nécessite pas de modélisation du fluide lui-même. Les corps impliqués peuvent être tous deux déformables, ou l'un d'eux peut être rigide, comme c'est le cas lorsqu'un joint souple assure l'étanchéité entre des structures plus rigides.

Un exemple fourni dans le manuel concerne la charge de pénétration par pression d'un fluide sur un joint torique d'un raccord de tuyauterie. Cette simulation modélise les charges de pression du fluide sous forme de charges surfaciques distribuées ou de charges de pression par paires, mettant en évidence l'évolution de la surface mouillée en fonction des conditions de contact. Elle illustre l'application de la pression du fluide sur des surfaces soumises à une déformation importante, comme l'auto-contact du caoutchouc, en utilisant des procédures dynamiques explicites et implicites pour approximer les conditions quasi statiques.

Figure 4 : Évolution de la pression du fluide

Approximation du contact fileté

La répartition localisée de la charge dans les joints filetés peut êtreapproximé sans fil de filsAvec cette approche, les pièces maillées présentent généralement des surfaces cylindriques à l'interface. Cette fonctionnalité ajuste les directions normales de contact aux faces des filetages de référence. Ce niveau de détail supplémentaire, comparé au simple collage des surfaces filetées, peut s'avérer important pour l'analyse des assemblages boulonnés.

La capture d'écran ci-dessous montre le contact normal pour les deux parties filetées, le boulon (en vert) et l'écrou (en beige).

Figure 5 : Normales de contact des pièces « filetées »

Valeurs précises de jeu et d'interférence

Des valeurs précises de jeu ou de surfermeture peuvent êtrespécifié et modifié indépendamment de la géométrieou la précision du maillage. Par exemple, il n'est pas nécessaire de modéliser un espace de 20 µm entre les composants ; l'espace peut être modélisé ligne par ligne et spécifier que le solveur doit le traiter comme 20 µm. Cela rend également les études de sensibilité au jeu ou aux interférences très efficaces à configurer et à exécuter sans avoir à remailler les composants.

Érosion de surface

L'érosion de surface est un élément important à prendre en compte lors de la gestion des défaillances matérielles. Elle est facilitée par l'algorithme de contact général.modélisation de l'érosion de surface à l'aide de surfaces basées sur des éléments, ce qui nous permet de simuler l'évolution des surfaces en réponse à la rupture du matériau. Lors de la définition des surfaces pour l'érosion, il est préférable d'utiliser des surfaces élémentaires pour le corps érodé. Cela permet de saisir avec précision l'évolution du domaine de contact à mesure que le matériau se dégrade et se rompt. Cette approche simplifie non seulement le processus de modélisation, mais améliore également l'efficacité en réduisant l'utilisation de la mémoire par rapport à l'utilisation de surfaces intérieures.

La modélisation de l'érosion est particulièrement utile car elle met à jour dynamiquement le domaine de contact pour refléter la suppression des éléments défaillants, ajustant ainsi les faces et les arêtes de contact actives. Cette mise à jour dynamique assure la précision de la simulation tout au long de l'analyse, reproduisant le comportement réel des matériaux sous contrainte ou impact.

De plus, le choix d'inclure des nœuds dans le domaine de contact après la défaillance des éléments environnants peut être contrôlé, offrant une flexibilité dans la simulation des conséquences d'une défaillance matérielle et de son impact sur l'intégrité structurelle.

Pour illustrer l'application de l'érosion de surface, considérons la simulation d'un projectile cylindrique en érosion percutant une plaque de blindage à grande vitesse. Cet exemple utilise le contact général pour modéliser l'interaction entre le projectile et la plaque, tous deux sujets à la rupture du matériau.

Le scénario simule un impact oblique à 2 000 m/s, le matériau des deux corps étant défini de manière à inclure des modèles de défaillance tenant compte des dommages progressifs. À mesure que les éléments se détériorent sous l'effet de l'impact, ils sont retirés de la simulation et les surfaces de contact s'adaptent pour refléter les surfaces nouvellement exposées des éléments restants.

Cette approche saisit non seulement les effets immédiats de l'impact, mais aussi les modifications subséquentes du domaine de contact à mesure que le matériau s'érode. Une simulation aussi détaillée permet de comprendre le comportement complexe des matériaux dans des conditions extrêmes et démontre la puissance de l'algorithme de contact général pour gérer des scénarios de contact et de rupture complexes.

Figure 6 : Projectile cylindrique érodé impactant une plaque de blindage

Conclusion

En conclusion, Abaqus propose un algorithme de contact général complet et sophistiqué qui simplifie la modélisation des problèmes de contact et d'interaction, garantissant des résultats de simulation précis. La capacité de simuler efficacement les conditions de contact, des interactions de contact surface à surface aux interactions de contact bord à bord, renforce la robustesse des simulations. Ceci, combiné à la commodité et à la simplicité de configuration de General Contact, rend cet algorithme de contact très attrayant et recherché par les utilisateurs de SOLIDWORKS Simulation.

Les avantages d'Abaqus Contact peuvent être très concrets. General Contact ouvre la voie à l'innovation en permettant une analyse de contact détaillée jusqu'alors inaccessible. Par exemple, l'exploration du plein potentiel de l'algorithme de contact général d'Abaqus ouvre des perspectives dans des domaines tels que la biomécanique (simulation de la dynamique des articulations ou des implants dentaires), l'aérospatiale (optimisation des interactions entre trains d'atterrissage et turbines) et les biens de consommation (impact à haute énergie améliorant la durabilité). Ces capacités avancées d'analyse par éléments finis encouragent les ingénieurs à explorer de nouveaux territoires de simulation, propulsant ainsi le développement de produits et la science des matériaux vers l'avenir.

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Auteur collaborateur : Shaun Bentley