ADAMS仿真时发生接触穿透的原因及对策

在Adams中，有两种计算接触力的方法：补偿法和冲击函数法（两者的差别并不大）。

在此主要对使用较广的冲击函数法进行说明。

在Adams中，接触力可分解成两部分：正压力和摩擦力。

正压力使用impact 函数法进行计算，摩擦力使用Coulomb法进行计算。

接触正压力的计算模型Adams根据Hertz contact theory，采用impact函数提供的非线性等效弹簧阻尼模型作为接触力的计算模型。

根据Impact函数来计算两个构件之间的接触力时，接触力由两个部分组成：一个是由于两个构件之间的相互切入而产生的弹性力；另一个是由相对速度产生的阻尼力。

其广义形式可以表示为：F ni=Kδi e+CV i式中：F ni—法向接触力，单位为N。

K（Stiffness）—Hertz接触刚度，表示接触表面的刚度，单位为N/mm。

一般来说，刚度值越大，积分求解越困难，但是如果刚度值过小，就不能模拟两个构件之间的真实接触情况。

刚度是一个常值，应使用后面介绍的公式进行计算。

δi（Penetration Depth）—接触点的法向穿透深度，单位为mm。

注意：接触定义界面中输入的是阻尼达到最大值时的穿透深度（由碰撞动力学模型可知，两物体接触后，阻尼很快就达到最大值，且在接触过程中保持不变，因此，此时输入的穿透深度的取值应该越小越好。

同时考虑到ADAMS中的数值收敛性，一般可采用ADAMS中推荐的取值0.01 mm），并不是最大穿透深度（阻尼达到最大值后，构件之间的相互切入还可以继续）。

当接触点的法向穿透深度小于其临界值（接触定义界面中的输入值）时，阻尼系数是穿透深度的三次函数，当大于等于临界值时，阻尼值也到达其最大值，如下图所示。

e（Force Exponent）—力的指数，刚度项的贡献因子。

对于刚度比较大的接触，e>1，否则e<1。

对于金属常用1.3～1.5，对于橡胶可取2甚至3。

一般用1.5。

C（Damping）—阻尼系数，单位为N*sec/mm。

一、影响穿透的一些因素解释I.接触厚度接触厚度定义的是一个参数——当接触体/面相互穿透的距离大于接触厚度时，程序将不计算这个接触，即认为没有接触了。

什么是接触厚度与距离？在自动接触中，接触厚度是一个默认值，大概是面厚度的几倍，在普通接触中，接触厚度无穷大。

II.壳厚度和接触厚度1. 壳厚度：影响刚度和单元质量；2. 接触厚度：①决定解除中的厚度偏移量；②并不影响刚度或壳体质量；③默认接触厚度等于壳厚度；④可以在*CONTACT 或*PART_CONTACAT 中直接缩放接触厚度；⑤在穿透节点被释放之前影响最大允许穿透深度。

III.运动速度对穿透的影响如果物体相对运动速度过大，在一个时间步长中所走过的距离会远超过一个单元的尺寸，若缩小时间步长，即缩小在一个时间步长内所走过的距离和单元尺寸的差异，基础检查可以正常进行，若初速度过高，会搜索不到接触，计算会出现问题。

IV.非对称接触算法中，主从面的定义原则①粗网格表面定义为主面，细网格表面为从面；②主从面相关材料刚度相差悬殊，材料刚度大的一面为主面；③平直或者凹面为主面，凸面为从面。

V.接触刚度的影响穿透可以认为是一种虚拟穿透，如果设定的穿透刚度（fkn）值，就可以减小这种穿透，但却不可避免。

如果fkn 值过大，会使到那元刚度病态，而不能求解。

二、穿透的可能解决方案I.接触方面：1. 修改接触类型，尝试自动接触类型：①STS（面面接触），当一个体的表面穿透另外一个体的表面是创建②SS（单面接触），当一个体的表面自身接触或者接触另一个体的表面时创建2. 接触定义存在问题：①增加接触刚度因子②改变接触面的主从设置，将刚体设置为主面，同时使用单向接触③修改关键字CONTROL_CONTACT中RWPNAL=23. 接触穿透距离超过了接触厚度，从而不再计算接触；4. 如果两个接触体的材料属性和网格差别较大，可以修改SOFT值为1 或者2.5. 接触群组设置不直接用PART，将可能接触的地方设置为segment；6. 修改摩擦系数：Fs和Fd通常设置为相同的值，避免额外的噪声产生。

ADAMS中的接触和接触摩擦作用机制实例详解高一佳【摘要】文章首先从理论上详细说明了ADAMS软件中的接触和接触摩擦在模型中的作用机制.然后结合拉臂式垃圾车动力学分析实例,研究了各参数变动对接触造成的影响.最后给出了解决接触求解无法收敛问题的一般原则.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2017(000)006【总页数】4页(P64-66,75)【关键词】ADAMS;接触;接触摩擦【作者】高一佳【作者单位】陕西保利特种车制造有限公司,陕西西安710200【正文语种】中文【中图分类】U461CLC NO.:U461Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-64-04即使是经验丰富的分析工程师，在处理包含接触和接触摩擦的ADAMS仿真任务时，也时常遭遇频繁的求解失败。

是什么原因让日常生活中无处不在的接触和摩擦在 CAE分析中变成了一个麻烦制造者。

本文将试图从理论与实际相结合的角度阐述ADAMS中接触和接触摩擦的作用机制及造成求解困难的原因，并给出改善接触求解困难的一些建议。

在ADAMS中，当两个分离的表面互相碰触并互切时，就称它们处于接触状态。

在一般的物理意义中，处于接触状态的表面有下列特点：·不互相穿透；·能够传递法向压力和切向摩擦力；·通常不传递法向拉力。

（因此，它们相互间可以自由地分开并远离）。

接触由如图1所示三种状态。

在ADAMS中分别表述为Open，Closed and Stick，Closed and Slide。

接触具有强烈的非线性、非保守特性。

随着接触状态的改变，接触表面的法向和切向刚度都有显著的变化。

刚度方面大的突变通常会导致严重的收敛困难，特别是当存在滑动时。

大多数的接触问题还需要同时考虑摩擦，摩擦计算同样Adams/Solver有两个几何引擎用来检测三维接触，分别是Parasolid和RAPID。

在Adams中，有两种计算接触力的方法：补偿法和冲击函数法（两者的差别并不大）。

在此主要对使用较广的冲击函数法进行说明。

在Adams中，接触力可分解成两部分：正压力和摩擦力。

正压力使用impact 函数法进行计算，摩擦力使用Coulomb法进行计算。

接触正压力的计算模型Adams根据Hertz contact theory，采用impact函数提供的非线性等效弹簧阻尼模型作为接触力的计算模型。

根据Impact函数来计算两个构件之间的接触力时，接触力由两个部分组成：一个是由于两个构件之间的相互切入而产生的弹性力；另一个是由相对速度产生的阻尼力。

其广义形式可以表示为：F ni=Kδi e+CV i式中：F ni—法向接触力，单位为N。

K（Stiffness）—Hertz接触刚度，表示接触表面的刚度，单位为N/mm。

一般来说，刚度值越大，积分求解越困难，但是如果刚度值过小，就不能模拟两个构件之间的真实接触情况。

刚度是一个常值，应使用后面介绍的公式进行计算。

δi（Penetration Depth）—接触点的法向穿透深度，单位为mm。

注意：接触定义界面中输入的是阻尼达到最大值时的穿透深度（由碰撞动力学模型可知，两物体接触后，阻尼很快就达到最大值，且在接触过程中保持不变，因此，此时输入的穿透深度的取值应该越小越好。

同时考虑到ADAMS中的数值收敛性，一般可采用ADAMS中推荐的取值0.01 mm），并不是最大穿透深度（阻尼达到最大值后，构件之间的相互切入还可以继续）。

当接触点的法向穿透深度小于其临界值（接触定义界面中的输入值）时，阻尼系数是穿透深度的三次函数，当大于等于临界值时，阻尼值也到达其最大值，如下图所示。

e（Force Exponent）—力的指数，刚度项的贡献因子。

对于刚度比较大的接触，e>1，否则e<1。

对于金属常用1.3～1.5，对于橡胶可取2甚至3。

一般用1.5。

C（Damping）—阻尼系数，单位为N*sec/mm。

ADAMS中contact接触⼒设置ADAMS 中contact 接触⼒设置ADAMS 中的接触⼒(contact force)可⽤来描述运动物体接触时的相互作⽤⼒。

在ADAMS 中有如下两类接触⼒：1）⼆维(2D)接触：是指平⾯⼏何形体之间的相互作⽤(⽐如圆弧、曲线和点)。

2）三维(3D)接触：是指实体之间的相互作⽤(⽐如球、圆柱、封闭的shell 、拉伸体和旋转体)。

Contact force 运⽤两种不同的⽅法计算法向⼒：1)基于回归的接触算法(Restitution-base contact)。

ADAMS/Solver ⽤这种算法通过惩罚参数与回归系数计算接触⼒。

惩罚参数施加了单⾯约束，回归系数决定了接触时的能量损失。

2)基于碰撞函数的接触算法(IMPACT-Function-based contact)。

ADAMS/Solver 运⽤ADAMS 函数库中IMPACT 函数来计算接触⼒。

点击⼒库的按钮contact force ，弹出Create Contact 对话框，图1为对话框截取的部分内容：下⾯只对应⽤较⼴的IMPACT1所⽰：1) Stiffness 指定材料刚度。

⼀般来说，刚度值越⼤，积分求解越困难。

2) Force Exponent ⽤来计算瞬时法向⼒中材料刚度项贡献值的指数。

通常取1.5或更⼤。

其取值范围为Force Exponent 1≥，对于橡胶可取2甚⾄3；对于⾦属则常⽤1.3～1.5。

3) Damping 定义接触材料的阻尼属性。

取值范围为Damping 0≥，通常取刚度值的0.1~1﹪4)Penetration Depth 定义全阻尼(full damping)时的穿透值。

在零穿越值时，阻尼系数为零；ADAMS/Solver 运⽤三次STEP 函数求解这两点之间的阻尼系数。

其取值范围为Penetration Depth 0≥下例为某⾦属材料在不同单位下的参数设置Stiffness 100000N/mm 1e8N/mExponent 1.3~1.5 1.3~1.5Damping 10~100N ·s/mm 1e6 N ·s/mPenetration 0.1mm 1e-3m图2部分内容为选定库伦摩擦时的内容，其含义如下：1) Coulomb Friction 。

ADAMS中接触的定义及参数设置（1）ADAMS中接触的定义及参数设置⼀、接触的定义接触⼒类型1）⼆维(2D)接触：是指平⾯⼏何形体之间的相互作⽤(⽐如圆弧、曲线和点)。

2）三维(3D)接触：是指实体之间的相互作⽤(⽐如球、圆柱、封闭的shell、拉伸体和旋转体)。

接触⼒的计算⽅法1)基于回归的接触算法(Restitution-base contact)。

ADAMS/Solver⽤这种算法通过惩罚参数与回归系数计算接触⼒。

惩罚参数施加了单⾯约束，回归系数决定了接触时的能量损失。

2)基于碰撞函数的接触算法(IMPACT-Function-based contact)。

ADAMS/Solver运⽤ADAMS函数库中IMPACT函数来计算接触⼒。

接触碰撞模型碰撞函数的理论计算公式contactF为接触⼒；△x：两碰撞物体的挤压变形；d为渗⼊深度；接触参数说明1）Stiffness指定材料刚度。

⼀般来说，刚度值越⼤，积分求解越困难。

2）Force Exponent⽤来计算瞬时法向⼒中材料刚度项贡献值的指数。

，对于橡胶可取2通常取1.5或更⼤。

其取值范围为Force Exponent1甚⾄3；对于⾦属则常⽤1.3～1.5。

，通3) Damping定义接触材料的阻尼属性。

取值范围为Damping0常取刚度值的0.1~1﹪4)Penetration Depth定义全阻尼(full damping)时的穿透值。

在零穿越值时，阻尼系数为零；ADAMS/Solver运⽤三次STEP函数求解这两点之间的阻尼系数。

其取值范围为Penetration Depth≥0；刚度：K越⼤，两物体渗透的量越⼩；指数：e越⼤，两物体渗透的量越⼤，因为渗透量是⼩数；阻尼：C越⼤，渗透量曲线越平滑，碰撞⼒曲线越平滑；渗透量：§，当实际渗透量⼤于§时，阻尼值开始完全起作⽤接触刚度由hertz理论计算Reference:H.M. Lankarani and P.E. Nikravesh, “Continuous Contact ForceModels for Impact Analysis in Multibody Systems”,Nonlinear Dynamics, 5: 193-207, 1994.不同指数的影响：指数影响刚度（斜率）指数影响接触⼒变化的连续性：各种材料接触碰撞参数推荐值：库伦摩擦特性及参数定义仿真时发⽣接触穿透现象发⽣穿透的原因：模型结构：参与接触的零部件结构过于复杂，使得现有判断准则难以正确判断接触是否发⽣；仿真步长的设置：求解动⼒学⽅程组时将接触⼒并⼊⼴义矩阵中求解。

ADAMS中接触的定义及参数设置一、接触的定义接触力类型1）二维(2D)接触：是指平面几何形体之间的相互作用(比如圆弧、曲线和点)。

2）三维(3D)接触：是指实体之间的相互作用(比如球、圆柱、封闭的shell、拉伸体和旋转体)。

接触力的计算方法1)基于回归的接触算法(Restitution-base contact)。

ADAMS/Solver 用这种算法通过惩罚参数与回归系数计算接触力。

惩罚参数施加了单面约束，回归系数决定了接触时的能量损失。

2)基于碰撞函数的接触算法(IMPACT-Function-based contact)。

ADAMS/Solver 运用ADAMS 函数库中IMPACT 函数来计算接触力。

接触碰撞模型碰撞函数的理论计算公式xC d x step x k contactF e⨯-∆⨯=),,0,0,()( contactF 为接触力；△x ：两碰撞物体的挤压变形；d 为渗入深度； 接触参数说明1）Stiffness 指定材料刚度。

一般来说，刚度值越大，积分求解越困难。

2）Force Exponent 用来计算瞬时法向力中材料刚度项贡献值的指数。

≥，对于橡胶可取2通常取1.5或更大。

其取值范围为Force Exponent1甚至3；对于金属则常用1.3～1.5。

≥，通3) Damping定义接触材料的阻尼属性。

取值范围为Damping0常取刚度值的0.1~1﹪4)Penetration Depth定义全阻尼(full damping)时的穿透值。

在零穿越值时，阻尼系数为零；ADAMS/Solver运用三次STEP函数求解这两点之间的阻尼系数。

其取值范围为Penetration Depth≥0；刚度：K越大，两物体渗透的量越小；指数：e越大，两物体渗透的量越大，因为渗透量是小数；阻尼：C越大，渗透量曲线越平滑，碰撞力曲线越平滑；渗透量：§，当实际渗透量大于§时，阻尼值开始完全起作用接触刚度由hertz 理论计算Reference:H.M. Lankarani and P.E. Nikravesh, “Continuous Contact Force 2,1,1)(34k 5.1n 22/1212121=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++==i E h R R R R h h i i i πνπimpactprior to rate gap gap n restitutio of t coefficien 4)1(k 3n 2===-=--δδδδ e e DModels for Impact Analysis in Multibody Systems”, Nonlinear Dynamics, 5: 193-207, 1994.不同指数的影响：指数影响刚度（斜率）指数影响接触力变化的连续性：各种材料接触碰撞参数推荐值：库伦摩擦特性及参数定义仿真时发生接触穿透现象发生穿透的原因：模型结构：参与接触的零部件结构过于复杂，使得现有判断准则难以正确判断接触是否发生；仿真步长的设置：求解动力学方程组时将接触力并入广义矩阵中求解。