摩擦摆隔震支座压剪模拟-球面滑移接触设置（附CAE文件）

土木锋

1 模拟目的本模型为一摩擦摆隔震支座的三维模型，目的是为了模拟隔震支座的压剪试验以获取该支座的滞回性能，即上部施加竖向压力，水平向施加剪切力，得到其力-位移滞回曲线。
2 模型简介本模型分为6个part，分别为上下两块盖板（带滑动球面，目前暂时定义为两个球面半径相同），上下两块PTFE低摩擦材料以及滑动器（考虑类球铰性能，分为两个part）。整个模型是对称的，将下面三个part名称都定为XXX1，上面都定位XXX2。

图1隔震支座组立示意图

                                               
                                            图2隔震支座分解示意及各part名称

                                               

图3 新型摩擦摆隔震支座分解示意图（PTFE与HK-tie住）

                                               

图4 上、下部分三维示意图（每部分包括顶/底板、滑动块和聚四氟乙烯摩擦材料层）

                                               

图5 组立截面图

                                               
                                                
                                图6 分解截面图

    模型考虑上下PTFE与滑动球面的摩擦滑移，简单起见目前只考虑为库伦摩擦。中间的滑动器设置为类似于球铰的构造，仅为了使得滑动器在滑移的过程中保持上部盖板保持水平，不考虑滑动器两部分间的摩擦。如图7所示，为期望的运动示意图。

图7 隔震支座在水平推力作用下的运动示意图

对于滑动器类球铰，我在abaqus中采用join的连接单元。具体做法是：对于滑动器上下部分均设置一个参考点（即为滑动器小球面的球心，同一点设为两个参考点），将各自的参考点分别与两个小球面耦合，然后定义两个参考点之间的连接属性为join。目前按此定义，球铰接触分析有点像。图8是未按此设置得出的运动示意图，上部（DB2、PTFE2和HK2）一起抬起，而非HK2绕小球面球心旋转，图9是按此设置后的运动示意图，类似于球铰旋转。
                                             
                                             

图8 直接定义两个小球面法向硬接触-切向无摩擦

图9 滑动器两小球面定义join连接单元

作为可滑动摩擦的上下两个大球面，设置为库伦摩擦，由于并未滑动，尝试这设置了join或hinge连接单元，同样是在球心定义两个参考点，分别与PTFE和DB的接触球面耦合，参考点设置连接属性，仍然未成功，运动过程中并未滑移，而是发生部件的挤压剪切变形，与我的预期运动（如图7）有偏差。




3 目前模拟中的问题
（1）两个预期滑动的滑动面并未发生滑移，由于滑移面是球面的特殊性，且为了与试验相匹配，我的水平加载是采用对上部DB2进行水平位移控制，而非对滑动器施加旋转位移控制，使得问题变困难。
（当然我也对滑动器施加过旋转位移控制试过，但未成功，具体做法是：在滑动球面的球心出定义参考点和坐标系，参考点与PTFE大球面耦合，然后施加旋转位移控制，坐标系采用新添加的在参考点处的坐标系，但可能是设置问题，滑动器仅是绕着自身旋转，而非绕着球心旋转，可见附CAE：Half-DCFP）

（2）从图9来看，运动过程中，PTFE发生压剪变形，并未滑移，当变形不可接受时，分析中断。

    综上所述，即为两个接触的球面滑动的设置问题，使得在DB2上加载水平位移，HK12可以在DB12之间滑动并旋转，如图7所示。


    现附上CAE文件，这个问题困扰了我很久，使我的课题目前止步不前，真心希望能得到各位的帮助和解答！谢谢！！！
                                                                                                                                                                    一名CAE菜鸟敬上


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土木锋

CAE文件下载地址：http://d.namipan.com/d/d7913ec43 ... c676c6890e153da4800
谢谢各位好心人的帮助！！！

zsq-w

我对lz的问题不熟悉，就当是来“顶”一下吧。鉴于lz的模型很复杂，而lz也是新手，我有以下建议：

1  将材料属性均改为弹性试试是否能算，如果不能，说明很可能接触设置不对；如果能算，至少也知道弹性阶段是不是合理的。

2  先将摩擦系数改小试一试，能收敛了即已经获得一定经验，这样再将之改大到合适的值。

  这样step by step的方法往往能使新手获取很多经验和信心。

blowsun

理论上是这样一步一步来。但是里面有好多实际经验在里面。

zsq-w

理论上是这样一步一步来。但是里面有好多实际经验在里面。
blowsun 发表于 2009-8-2 18:47

对呀，这些经验也都是自己一步一步的尝试才领悟到的。

土木锋

我对lz的问题不熟悉，就当是来“顶”一下吧。鉴于lz的模型很复杂，而lz也是新手，我有以下建议：

1  将材料属性均改为弹性试试是否能算，如果不能，说明很可能接触设置不对；如果能算，至少也知道弹性阶段是不是合 ...
zsq-w 发表于 2009-8-2 15:28

        非常谢谢斑竹将此帖再一次顶起！我的模型目前全是用弹性材料属性，刚试过将摩擦系数降至0.01，分析结果仍旧一样，依然是算到第二个分析步5s左右中断（整个分析步16s）。
        正如斑竹所说，可能是接触设置除了问题。因为整个分析我不能达到1楼图7所示，滑块不会滑动，特别是下部分的HK1、PTFE1和DB1，就像tie住了一样，发生PTFE的剪切变形也不滑动。我想是PTFE变形过大导致分析不收敛。。。如若接触设置合理，会像1楼图7所示运动，应该是可以收敛的。


        我想问一下我球面滑动设置那里是不是有问题，两个紧挨着的球面（曲面半径一样），（1）我在球心处定义了两个参考点，并用连接单元join连接；（2）两个参考点分别与两个球面耦合。两个参考点Join连接，可旋转，不可平动。。。而与他们耦合的两个球面如若旋转，那不也会有相对的平动位移，这样就矛盾了。会不会因此两个球面就不会发生任何的相对位移。但是我将点面耦合中的平动约束去了，结果仍然是一样，不解！
        还望各位大侠指教和帮助，谢谢！！！

土木锋

感谢楼上各位的大侠的帮助！目前已发现错误，我当时在接触设置那里不小心犯了个低级错误，勾选了Tie adjusted surfaces，导致了滑块不滑，紧紧地与上下滑动曲面tie在一起。以下是我修改后得出的滞回曲线和运动示意图，当时设置的最大位移幅值为40，摩擦系数为0.01。



       目前正在计算，位移幅值为80，摩擦系数为0.1的模型。

土木锋

向大家汇报一下近两天的分析结果，将模型改后又出现了新问题，分类总结如下：
（1） ELEMENT PTFE1-1.114 IS DISTORTING EXCESSIVELY；ELEMENT HK1-1.46 IS DISTORTING EXCESSIVELY
（2）CONTACT PAIR (ASSEMBLY_SURF-PTFE1X,ASSEMBLY_SURF-DB1S) NODE PTFE1-1.3  IS OVERCLOSED BY 3.8473 WHICH IS TOO SEVERE
        warning：EXCESSIVE DISTORTION AT A TOTAL OF 10 INTEGRATION POINTS IN SOLID
                      (CONTINUUM) ELEMENTS；
             ELEMENTS ARE DISTORTING EXCESSIVELY. CONVERGENCE IS JUDGED        
                      UNLIKELY；

        改后的模型算到位移50左右就aborted了。我之后参照单元扭曲的方法进行了调整，比如单元大小、材料本构，很奇怪，效果更差，很快就中断了。不知道为什么，(1)我将PTFE的弹性模量增大或直接改成钢材的属性，我认为这样是不是可以减小那个part的单元的扭曲？(2)我将单元划分的更细，但也是分析不了。以上两种方式修改之后，位移更小，达到10左右就中断了。
        请各位大侠或高手提供修改意见，解决以上难题。

        还有请教各位我的单元选择和划分是不是有问题呢，由于球面等限制，我只能采用自由网格划分，选用了C3D4单元。还望各位指教！帮助我度过难关。。。谢谢！！！

seawideyp

球体xyz切三刀就可以画C3D8R了

土木锋

谢谢楼上兄台的答复，球体是可以的，我看过一些贴贴出来的图，我也试过好多次，无论怎样partition都达不到所有的part都能采用structured或sweep，特别是DB1和DB2两个part。还请楼上的兄弟帮忙试一试，麻烦了！谢谢你！不胜感激！

土木锋

现附上将PTFE材料（E较小）变为STEEL计算中断，主要提示的问题：
MPCS (EXTERNAL or INTERNAL, including those generated from rigid body definitions), KINEMATIC COUPLINGS, AND/OR EQUATIONS WILL ACTIVATE ADDITIONAL DEGREES OF FREEDOM

OUTPUT AT EXACT, PREDEFINED TIME POINTS WAS REQUESTED IN THIS STEP. IN ORDER TO WRITE OUTPUT AT EXACT TIME POINTS SPECIFIED, Abaqus MIGHT USE TIME INCREMENTS SMALLER THAN THE MINIMUM TIME INCREMENT ALLOWED IN THE STEP. IN ADDITION, THE NUMBER OF INCREMENTS REQUIRED TO COMPLETE THE STEP WILL IN GENERAL INCREASE.

Boundary conditions are specified on inactive dof of 1442 nodes. The nodes have been identified in node set WarnNodeBCInactiveDof.

Boundary conditions are specified on inactive dof of 1442 nodes. The nodes have been identified in node set WarnNodeBCInactiveDof.

There are 3 unconnected regions in the model.

There are 3 unconnected regions in the model.
        按道理，我只是将材料的弹性模量变大，应该能算才对啊。但它第二个分析步一开始就中断了，弹出以上问题，不明白。
        对于“Boundary conditions”，这1442 nodes就是我施加底部约束的点（6个自由度全约束），弹出的以上警告是什么意思？需要怎样修改呢？而且为什么会有3个无连接的区域呢，这个什么意思？
        期盼答复！

土木锋

对，我也不知道出了什么问题，上传到网盘，那个链接下不来。
很感谢你的关注和帮忙，要不我发模型给你吧？好吗？我的QQ:398424430.
或者你告诉我一个邮箱，我给你发过去。谢谢！！！

土木锋

2楼的链接是可以下的，刚刚重新验证过了。
步骤：

进入http下载页面http://d.namipan.com/d/d7913ec433e6489024d900c06e0d9c676c6890e153da4800

——点HTTP镜像下载 网通  电信中的电信（ps：不是点上面的蓝色框【点击这里下载】）
        其他网盘上传的文件估计类似，请大家注意，或者多试试。

       感谢zsq-w 斑竹的耐心提示！

土木锋

对，连接单元应力不考虑。目的是得滞回曲线，即水平推力和位移曲线。目前已经计算了位移幅值达到200mm，摩擦系数0.1的模型。只要将模型网格再画细些就能通过计算，但同样有不少warning。我再核对核对模型。谢谢楼上兄台的关注！

土木锋

恩，非常感谢gjhnha的热心。以下贴出我分析位移幅值为D=200mm的变形图和所得滞回曲线。

土木锋

分析是能完成，但同样会产生许多警告，以至于最后警告太多，都不report了，有点搞笑。现在将警告一并贴出，希望各位大侠帮我审查一下，辨别一下警告的严重性，谢谢各位的帮助。
For *tie pair (assembly_surf-ptfe1s-assembly_surf-hk1x), adjusted nodes with very small adjustments were not printed. Specify *preprint,model=yes for complete printout.

For *tie pair (assembly_surf-ptfe2x-assembly_surf-hk2s), adjusted nodes with very small adjustments were not printed. Specify *preprint,model=yes for complete printout.

For contact pair (assembly_surf-ptfe1x-assembly_surf-db1s), not all the nodes that have been adjusted were printed. Specify *preprint,contact=yes for complete printout.

For contact pair (assembly_surf-ptfe2s-assembly_surf-db2x), not all the nodes that have been adjusted were printed. Specify *preprint,contact=yes for complete printout.

MPCS (EXTERNAL or INTERNAL, including those generated from rigid body definitions), KINEMATIC COUPLINGS, AND/OR EQUATIONS WILL ACTIVATE ADDITIONAL DEGREES OF FREEDOM

OUTPUT AT EXACT, PREDEFINED TIME POINTS WAS REQUESTED IN THIS STEP. IN ORDER TO WRITE OUTPUT AT EXACT TIME POINTS SPECIFIED, Abaqus MIGHT USE TIME INCREMENTS SMALLER THAN THE MINIMUM TIME INCREMENT ALLOWED IN THE STEP. IN ADDITION, THE NUMBER OF INCREMENTS REQUIRED TO COMPLETE THE STEP WILL IN GENERAL INCREASE.

OVERCONSTRAINT CHECKS: THERE ARE 14860 BOUNDARY CONDITIONS SPECIFIED IN THIS MODEL. OVERCONSTRAINT CHECKS FOR BOUNDARY CONDITIONS SPECIFIED ON SLAVE NODES OF RIGID BODIES, OF *TIE OPTIONS, OR OF *COUPLING OPTIONS REQUIRE 5 Mb OF MEMORY. IF THIS IS A PROBLEM, PLEASE TURN OFF OVERCONSTRAINT CHECKS USING *CONSTRAINT CONTROLS, NO CHECKS or INCREASE THE MEMORY USED BY THE PRE-PROCESSOR.

Boundary conditions are specified on inactive dof of 2475 nodes. The nodes have been identified in node set WarnNodeBCInactiveDof.


The system matrix has 3 negative eigenvalues.

Excessive distortion at a total of 217 integration points in solid (continuum) elements

The system matrix has 1 negative eigenvalues.

Warning message limit reached. No further warning messages will be reported.
Please see the dat file for more warnings.

该模型的动画gif文件已上传，链接为：http://d.namipan.com/d/c21acc8dc ... 3238c70669d00a21900
真诚的感谢各位！

土木锋

至此，分析至今，以上警告之前也出现过，但是并不能收敛。当网格划细之后，却收敛了。莫非一开始时是我主从面一开始网格划分相差太大？这是个值得思考的问题!
        对于我等新手，网格划分尺寸问题和分析的收敛还有待于深入探讨和研究！
        另外，请教各位，我这个模型的单元划分手段和选取等是否可以更优呢？我采用的是自由网格划分方式，C3D4R。
        祝各位aba友好运！