ADAMS仿真时发生接触穿透的原因及对策
虚拟样机详述Adams中接触的定义
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。
LS_Dyna的问题总结
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
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。
虚拟样机详述Adams中接触的定义
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接触渗透问题讨论
A:可以这么理解，但那不是穿透，是压入变形深度。
如果是动力学仿真，设置了接触，仿真步骤设置合适，就不会有穿透。
但是如果是运动学的仿真，比如一个连杆，设置了转动的motion，放一个物体在旁边，连杆转动的时候，设置的接触力就会被忽略，穿透是肯定的了。
倒不是运动优先，如果给一个物体施加一个motion的话，不管这个物体受多大的力，这个物体都会以年、给定的motion来进行运动。也许有时候会产生所谓的穿透吧。
Penetration Depth 不是渗透量,它是决定阻尼的一个参数,与能量损失有关系的一个参数!
接触力存在，即穿透存在。 这是算法设计就是这样的， 如果穿透太大，就说明是你的刚度设得有问题，或者是接触力根本就不应该那么大的
ADAMS中contact接触力设置
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（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中的接触和接触摩擦作用机制实例详解
测 试 试 验
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分 开并 远 离 ） 。
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 ＡＤ ＡＭＳ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 建议。
１ 、 什 么 是 接 触
在Ａ ＤＡ ＭＳ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
Ａ Ｄ ＡＭＳ中的接触 和接触摩 擦作用机 制实例 详解
高一 佳
（ 陕西保利特种车制造有 限公司，陕西 两安 ７ １ ０ ２ ０ ０ ） 摘 要 ：文章首先从理论上详细说 明了 Ａ ＤＡＭＳ软件 中的接触 和接触 孽擦在 模掣中的作Ｊ ｛ ｊ 机制 。然后结 持 臂式 垃圾车动 力学 分析 实例 ，研 究了 备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 收原
Ｇ ａ ｏ Ｙ ｉ ｊ ｉ ａ
（ Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｐｌ ｏ ｙ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ Ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕｒ ｉ ｎ ｇ Ｃｏ ． ， Ｌ ＴＤ． ， Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｘｉ ’ ｌ ｆ ｕ ７ １ ０ ２ ０ ０）
Ｏｐ ｅ ｎ ，Ｃ ｌ ｏ ｓ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ Ｓ ｔ ｉ ｃ ｋ ，Ｃ ｌ ｏ ｓ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ Ｓ ｌ ｉ ｄ ｅ 。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。
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3456# 等 7 两类 " 前者适合模拟刚性系统 ! 后者适合非刚
性系统 " 不同的刚性积分器 ! 计算的效率和稳定性也有所不
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接触穿透的解决方法 常用方法包括简化模型 $ 增大仿真步数 $ 选择合适求
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作者简 介 ) 魏 勇 亮 %&@C&B &! 男 ! 硕 士 ! 研 究 方 向 为 虚 拟 样 机系统计算机仿真 #M)*HM): " 收稿日期 )!((#B(NB’%
制造业信息化
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!"!#$ 仿真时发生接触穿透的原因及对策
魏勇亮 ! 金 圭 " 华东理工大学 机械与动力工程学院 ! 上海 !""!#$ #
摘
要 & 分析了 !"!#$ 软件在处理多接触问题时发生穿透现象的原因 ! 提出了 三 种解 决 方 法 ! 并 以 棒 料在 回 转 式供 料
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!"!#$ 仿真时发生接触穿透的原因
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增大仿真步数 适当增大仿真步数 ! 有助于避 免 发 生 接触
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穿透 " 图 % 表示仿真时间 # $ ! 仿真步数分别为
&’( ##(( 和 &((( 的情况 " 横轴表示时间 !纵轴表
*!! 避免凹凸不平的情 ) 如方体 $ 球等( 简化 % 常见 况 % 使模型尽量向规则几何体 的简化包括去除倒角 $ 倒圆 $ 退刀槽以及只起到装饰或者 支撑作用的零件特征% 分别考虑棒料两端有无倒角 ) ) <<") <<( 对仿真效果的影响 % 图 ! 表示简化前 ) 有倒 角( 与简化后 ) 无倒角( 棒料与滚筒碰撞力的大小 % 仿真时 间 ) 3 ! 仿真步数 +""" 步 % 图中碰撞力大于 " 表示棒料和滚筒接触 ! 等于 " 表 示棒料与滚筒分离或即将分离 % 由于滚筒匀速旋转 ! 所以 棒料 的 运 动 应 该 是 被 刮 板 带 起 $ 落 下 $ 又带 起 ! 这 样 往 复 下去 % 只要不发生穿透 ! 碰撞力应该每隔一段时间出现大 于 " 的情况 % 而穿透则表现为碰撞力急剧增大 % 从简化前
心位置静止下落 % 棒料与滚筒材料均为钢 ! 碰撞参数取系 统默认值 % 为方便说明 ! 只考虑一根棒料的情况 %
!"#
模型简化 无论是在 %&%’( 中直接建模 ! 还是通过三维 =%&
软件 ) 如 >? $91-@ 等( 建模后再导入 %&%’( ! 都应在不影 响分析结果正确性以及考虑仿真平台处理能力的前提 下 ! 对模型作最大的简化 %
工程机械 $ 航空航天等各个领域 % 借助 %&%’( ! 用户可以 方便地对模型进行静力学 $ 运动学和动力学分析 % 目前最 新版本是 %&%’( !"") % 一些系统的动力学仿真涉及到许多接触碰撞等受力 情况 % 以履带仿真为例 ! 履带一般采用链结构 ! 由几十个 链结连接而成 % 每个链结都与地面和链轮之间存在接触 ! 这样整个模型的接触数目就有几十甚至上百个 % 然而 %&%’( 对于多接触的处理能力却不强 % 一个主 要表现就是求解稳定性差 * 比如 & 由于接触力跃变而产生 数值求解困难 ! 导致仿真出错而停止 ’ 或者接触力突然消 失 ! 物体互相穿透 ! 如同没有定义接触一样 % 分析 %&%’( 仿真时发生接触穿透的原因 ! 并找到有 效的解决方法 ! 对于更好地利用 %&%’( 解决工程问题具 有重要的意义 %
送
提料凸缘 滑道
(-./01 将接触力并入广义矩阵中求解 % 接触发生前 ! 每次
迭代都预先判断接触是否发生 % 一旦发生 ! 为了更精确地 计算 接 触 力 ! 系 统 动 态 地 将 迭 代 步 长 调小 ! 并 继 续 判 断 % 如果步长设置不合理 !将导致接触判断错误 % " #( 积分算法的选择 % %&%’( 提供给用户不同的积 分 算 法 ! 它 们 有 各 自 适 用 的 范 围 ! 有 的求 解 效 率 高 ! 有 的 求解稳定性好 % 如果选择不当 ! 例如一味追求求解速度 ! 就可能产生接触穿透 % " 2( 仿 真 时 间 较 长 时 ! 会 产 生 很 多 中 间 结 果 ! 这 些 结果驻留在计算机内存中! 要等仿真结束而且用户给 出 存 盘 指 令 后 才 保 存 下 来 % 这 个 过 程 中 !如 果 数 据 量 超 过 系 统 的 内 存 容 量 !将 会 引 起 动 态 刷 新 不 正 常 !使 与 形 体关联的 340.. 文件中的当前数据不正确 ! 从而引起接触 判断失误 %
解器等 % 下面以棒料在回转式供料器 ) 图 +( 中的 自 动 定 向为例 ! 分别说明这三种方法 % 滚筒模型是在 (-.567-183 中建模后以 9:1:3-.56 格式导 入 到 %&%’( 中 的 % 滚 筒 以