Comprendre Abaqus Contact général

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

Conscients de ces défis,AbaqusGeneral Contact a introduit une solution révolutionnaire pour surmonter les limites inhérentes à l'approche traditionnelle par paires de contacts. Cette méthode très sophistiquée de modélisation des problèmes de contact et d'interaction se distingue de la méthode par 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 SOLIDWORKSL'utilisateur, le principal avantage de l'utilisation du contact dans Abaqus (ou dans 3DEXPÉRIENCE STRUCTURELLa fonctionnalité de contact général d'Abaqus (qui utilise le solveur Abaqus) offre une robustesse accrue. Elle offre également des fonctionnalités et des options pratiques pour la définition des contacts, facilitant ainsi leur calcul sur des assemblages complexes. Cet article explore en détail la fonctionnalité de contact général d'Abaqus.

Robustesse du contact général

Abaqus/Explicite

La gestion des contacts généraux dans Abaqus commence par la définition du domaine de contact via une surface de contact automatique et exhaustive. Cette surface exhaustive comprend toutes les facettes de surface basées sur les éléments, toutes les surfaces rigides analytiques et – dans le cas de Abaqus/Explicit– Surfaces sur tous les matériaux eulériens (généralement utilisés pour les interactions fluide-structure). General Contact utilise des méthodes sophistiquées pour s'assurer de l'application efficace des conditions de contact appropriées. Dans Abaqus/Explicit, il génère des forces de contact pour empêcher la pénétration des contacts nœud-face, nœud-surface rigide analytique et arête-arête sur l'ensemble de la surface, offrant ainsi une solution complète pour l'application du contact dans un large éventail de scénarios de simulation sans nécessiter de procédures complexes de définition des contacts.

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

Abaqus/Standard

L'algorithme général de contact dans Abaqus/StandardCe système détecte et gère dynamiquement différents types de contacts (surface-surface, arête-surface, arête-arête et sommet-surface) tout au long de l'analyse, ce qui améliore sa capacité à traiter les interactions complexes. Utilisant une approche de suivi par glissement fini, il est particulièrement efficace pour les modèles tridimensionnels et constitue la seule méthode disponible pour les modèles bidimensionnels et axisymétriques. Cet algorithme se distingue par sa remarquable capacité d'adaptation, assurant une transition fluide entre les différentes formulations de contact au fur et à mesure de l'évolution de l'analyse.

Figure 1 : Types de scénarios de contact pour deux blocs

Par exemple, dans une simulation d'emboîtement, le système peut initialement privilégier le contact arête-surface, puis passer graduellement 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, ce qui rend Abaqus/Standard robuste pour un large éventail de scénarios de simulation.

Pour illustrer la robustesse de l'algorithme de contact général, prenons l'exemple d'une simulation où un cuboïde en caoutchouc glisse le long du périmètre d'un cuboïde en caoutchouc plus grand. Au début de l'analyse, lorsque le petit cuboïde s'approche du grand, un contact surface-surface s'établit. L'algorithme détecte ensuite les changements de contact lorsque le cuboïde atteint une arête saillante du grand cuboïde et met en œuvre une formulation de contact arête-surface. Cette approche dynamique améliore considérablement la robustesse et la fiabilité de l'algorithme face à toute modification du contact.

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

Facilité de communication générale

Le module Contact général, qu'il soit utilisé dans Abaqus/Standard ou Abaqus/Explicit, permet à l'utilisateur de définir le domaine de contact avec flexibilité et précision. Il permet notamment de spécifier les inclusions de contact générales afin d'identifier les régions d'interaction potentielles, ainsi que les 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 automatiquement, intégrant toutes les faces, arêtes et surfaces rigides analytiques des éléments extérieurs. Cette surface par défaut simplifie la configuration en prenant automatiquement en compte toutes les interactions possibles entre les nœuds et les faces, entre arêtes et auto-contacts, sans qu'il soit nécessaire de spécifier manuellement chaque paire de contact. L'utilisateur peut raffiner le domaine de contact en spécifiant les surfaces ou les matériaux à inclure ou à exclure, et en ajoutant des propriétés individuelles. Il peut également peaufiner la définition générale du contact tout au long de l'analyse, en activant ou en désactivant certaines surfaces du domaine de contact selon les besoins. Ce processus, simple et pratique, permet à l'analyste d'ajuster et de peaufiner le domaine de contact avec précision.

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, notamment lorsque les interactions sont définies à l'aide de paires de contact ou de contraintes de liaison surfaciques, afin d'éviter l'application redondante de contraintes d'interaction.

L'exemple suivant d'analyse d'une tour Jenga illustre la commodité qu'offre l'algorithme de contact général lorsqu'on traite un grand nombre de pièces.

Prenons l'exemple de cette tour Jenga, composée de 18 couches de trois pièces chacune. Ça fait un total de 54 pièces. La nature chaotique et imprévisible de cette analyse est illustrée dans l'animation ci-dessous. C'est précisément pour cette raison que l'algorithme de contact général est utilisé : il permet de prendre en compte tous les visages initialement en contact, ainsi que ceux qui pourraient entrer en contact plus tard au cours de l'analyse.

Si cette analyse était effectuée sans utiliser l'algorithme de contact général, une sélection manuelle des faces de contact serait nécessaire pour obtenir un résultat comparable. À titre d'explication, on va calculer le nombre de faces de contact que l'analyste devra définir manuellement. Chaque pièce de Jenga possède 6 faces et, par 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 un total de

Il faut encore tenir compte des doublons : le fait que le visage A touche le visage B équivaut au fait que le visage B touche le visage A. Il faut donc diviser le nombre de visages par 2. De plus, pour prendre en compte les 53 autres pièces de Jenga et leurs faces respectives, le nombre total de paires de contacts que l’analyste devra considérer est de :

51516 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 la section Contact général

Pénétration de la pression du fluide

UN Charge de pénétration sous 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 qui expose une surface supplémentaire à la pression. Cette fonctionnalité est extrêmement utile pour l'analyse d'étanchéité et s'exécute très efficacement dans Abaqus puisqu'elle ne nécessite pas la 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 est utilisé comme joint entre des structures plus rigides.

Un exemple fourni dans le manuel concerne la charge de pénétration de la pression d'un fluide sur un joint torique dans un raccord de tuyauterie. Cette simulation modélise les charges de pression du fluide comme des charges surfaciques réparties ou des 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 subissant une déformation importante, comme l'auto-contact du caoutchouc, en utilisant des procédures dynamiques explicites et implicites pour approcher des conditions quasi-statiques.

Figure 4 : Évolution de la pression du fluide

Approximation du contact fileté

La répartition localisée de la charge dans les assemblages filetés peut être approximation sans engrenage des filsDans cette approche, les pièces maillées présentent généralement des surfaces cylindriques à l'interface. Cette fonctionnalité permet d'ajuster les directions normales de contact afin qu'elles soient normales aux faces des filetages de référence. Ce niveau de détail accru, par rapport à un simple collage des surfaces filetées, peut s'avérer important dans l'analyse des assemblages boulonnés.

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

Figure 5 : Normales de contact des pièces filetées

Valeurs précises du jeu et des interférences

Les valeurs précises du jeu ou du surdimensionnement peuvent être spécifiée et modifiée indépendamment de la géométrieou la précision du maillage. Par exemple, il n'est pas nécessaire de modéliser un écart de 20 μm entre les composantes ; cet écart peut être modélisé ligne par ligne et il suffit de spécifier que le solveur doit le traiter comme une valeur de 20 μm. Cela rend également les études de sensibilité aux jeux 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 facteur important à prendre en compte lors de la gestion des défaillances de matériaux. Elle est facilitée par l'algorithme de contact général. Modélisation de l'érosion de surface à l'aide de surfaces élémentairesCela nous permet ainsi de simuler l'évolution des surfaces en réponse à la défaillance du matériau. Lors de la définition des surfaces d'érosion, il est préférable d'utiliser des surfaces à base d'éléments 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. Non seulement cette approche simplifie le processus de modélisation, mais elle 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, reflétant le comportement réel des matériaux sous contrainte ou impact.

De plus, il est possible de contrôler l'inclusion de nœuds dans le domaine de contact après la défaillance des éléments environnants, ce qui offre une flexibilité dans la simulation des conséquences de la défaillance des matériaux et de son impact sur l'intégrité structurelle.

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

Le scénario simule l'impact oblique à 2000 m/s, les matériaux des deux corps étant définis de manière à inclure des modèles de rupture qui tiennent compte des dommages progressifs. À mesure que les éléments cèdent 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 permet de saisir non seulement les effets immédiats de l'impact, mais aussi les modifications subséquentes de la zone de contact dues à l'érosion du matériau. Une simulation aussi détaillée contribue à la compréhension du comportement complexe des matériaux dans des conditions extrêmes et démontre la puissance de l'algorithme de contact général pour la gestion de scénarios de contact et de rupture sophistiqués.

Figure 6 : Projectile cylindrique érosif 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 ainsi des résultats de simulation précis. La capacité de simuler efficacement les conditions de contact, des interactions surface-surface aux interactions arête-arête, renforce la robustesse des simulations. Cette caractéristique, combinée à la simplicité et à la facilité de configuration de l'algorithme de contact général, le rend particulièrement attrayant pour les utilisateurs de SOLIDWORKS Simulation.

Les avantages de la fonction Contact d'Abaqus sont considérables. Le module Contact général ouvre la voie à l'innovation en permettant une analyse détaillée des contacts jusqu'alors inaccessible. Par exemple, exploiter pleinement le potentiel de l'algorithme de contact général d'Abaqus révèle des opportunités dans des domaines tels que la biomécanique (simulation de la dynamique des articulations ou des implants dentaires), l'aérospatiale (amélioration des interactions entre trains d'atterrissage et turbines) et les biens de consommation (amélioration de la résistance aux impacts à haute énergie). Ces capacités avancées d'analyse par éléments finis incitent les ingénieurs à explorer de nouveaux territoires de simulation, propulsant ainsi le développement de produits et la science des matériaux vers l'avenir.

Consultez notre guide d'achat Abaqus ou Contactez l'un de nos experts en simulation GoEngineerpour trouver l'outil d'analyse par éléments finis (FEA) qui vous convient ! Si vous n'êtes pas encore prêt à utiliser Abaqus, vous pouvez tout de même profiter pleinement de ses avantages grâce àServices-conseils en analyse par éléments finis (FEA) de GoEngineer.

Articles connexes

Comprendre le comportement des matériaux dans Abaqus

Analyse par éléments finis de la vitesse critique et de la dynamique du rotor

Abaqus FEA : Modélisation par éléments finis performante

Solveurs Abaqus : des outils pour les ingénieurs dans tous les scénarios d’analyse par éléments finis

Logiciels d'analyse par éléments finis (FEA) et de dynamique des fluides numérique (CFD) : ce qu'il faut savoir avant d'acheter

VOIR TOUS LES ARTICLES SUR ABAQUS

Auteur collaborateur : Shaun Bentley