OptiStruct非线性教程：插拔件问题

作为系列的开篇，我们首先介绍 OptiStruct 应用于插拔件问题。这是非线性应用中的一类常见问题。一个是插针挤入针孔的过程，另一个是背包卡扣的嵌入过程。

部件的插拔过程看似简单，但实则涉及了几乎所有常见的非线性特性，包括：材料非线性、几何非线性以及接触非线性，有时插入过程甚至涉及结构的后屈曲问题。因此插拔件问题的求解过程中时常会碰到难以收敛的问题。

本次将以插针模型为例，讲解如何在 OptiStruct 中进行插拔件问题的非线性工况的设置，以及针对该应用问题的相关设置要点。

非线性材料定义

插针模型包含插针和底座两个部分，针孔大小为0.4 x 0.64mm的方形。部件均采用实体网格，属性PSOLID引用材料为钢。考虑钢的弹塑性特征，即使用MAT1和MATS1共同表征该材料。

插针

底座

在MAT1中定义弹性模量E、泊松比NU和密度RHO；

然后在MATS1中定义钢的塑性段，使用TABLES1曲线“steel_tables1”定义塑性段。

载荷边界条件定义

插拔问题的边界条件见下方图示。通常为一侧固定，另一侧进行相向运动。

关于边界条件的设置，需要说明这些要点：

采用“强制位移”的加载方式，而不是使用力载荷的方式。这是因为在两个部件未接触的状态下，运动部件是处于自由状态的，该部件的整体刚度为零。如果使用力加载，那么在静力学分析中，该运动部件的位移将无穷大（发散）。

通常插拔件问题关心插拔力的大小，因此为便于得到作用力数值，将强制位移施加于RBE2的中心点，然后通过RBE2单元施加到对应的结构区域。这样通过SPCF输出得到的反作用力即为插拔力的合力数值。

建议在结构的特殊位置（例如对称面）施加辅助约束的SPC。通常来说，这些辅助约束SPC可以有效提高计算的收敛性，也能模拟一些控制手段（例如：居中插入）。

连续滑移的接触定义

插拔件的接触区域通常随着运动部件的位置状态发生改变，因此这类问题的接触区域通常需要选取可能接触的连续滑移面。本例中设置了两组接触面，如下图所示。

关于接触对的相关属性设置，其要点是：

须使用TRACK=CONSLI的接触状态追踪。它的含义是，在载荷增量步内的每一个迭代步中，都进行接触对状态的更新。这样可以最大程度保证捕捉接触对的滑移状态，从而使计算更准确。插拔件问题不推荐使用TRACK=FINITE（只在每个增量步才更新接触对，而在迭代步中不更新），更不能使用TRACK=SMALL。

推荐使用接触Property Option选项，通过调用PCONT卡片，可以进一步调整接触刚度的大小、摩擦系数大小、接触是否可分离等。

特别的，当两个接触件的弹性模量刚度差异相差较大时，使用PCONT卡片中的STIFF=SOFT的参数，能够有效帮助计算收敛（缺点是部件穿透略微增大）

非线性工况定义

插拔件问题最常见的是使用非线性准静态（或瞬态）进行求解。OptiStruct 中设置非线性准静态工况的方法是使用NLPARM卡片。本例中的工况设置如图所示：

工况设置要点如下：

1. Analysis type设置为 Non-linear static；
2. SPC边界条件和LOAD载荷分别选取之前设置的SPC卡片和SPCD卡片；

NLPARM设置是必须的，且务必使用含LGDISP的设置项，否则须配合使用 PARAM,LGDISP,YES。LGDISP表示启用大变形分析，这样才能提供实时改变的结构状态。

NLOUT设置也是必须的，用于提供中间过程的输出，这在插拔问题中是需要关心的。在本例中，设置NLOUT的参数FREQ为1，则可以输出所有收敛的增量步。

NLADAPT设置是可选的，通常能用于提供更严格的收敛准则，以期得到更准确的结果。在本例中，设置NOPCL为0以及NSTSL为0，这是两个额外的收敛准则，它们分别要求接触对的open/close状态不再改变，以及stick/slide状态不再改变才算收敛。这是插拔问题中常见的一种设置，目的就是为了更准确的结果。

需要说明的是，NLPARM卡片的各参数并没有严格的取值，在非线性分析中，OptiStruct会根据收敛准则和实际残差动态调整载荷增量步。同样地，NLOUT和NLADAPT卡片的参数也没有绝对的推荐数值，建议结合OptiStruct自带的帮助手册，根据实际的需求进行调整。

另外，在本例的工况输出控制中，设置如下输出请求：

1. DISPLACEMENT：位移结果
2. STRESS：应力
3. STRAIN：应变
4. SPCF：约束反力
5. CONTF：接触状态及接触力

案例结果

经过上述一系列的设置（模型文件见附件链接）并提交 OptiStruct 计算，终于等到了最终的分析结果。在插拔问题中，通常关心两个问题：结构是否发生塑性变形，以及插拔力的数值是多少。

首先，使用 HyperView 查看“Plastic Strains“，可以看到插针插入过程已发生了塑性变形，最大等效塑性应变约5.6%。

其次，使用 HyperGraph 同步查看“SPCF Forces“，可以得到插入过程的RBE2单元中心作用点的反作用力大小。从SPCF曲线看出，插入过程的最大接触力是部件刚接触的瞬间，约为1.7N左右。之后整个后续插入过程的插入力基本稳定，在0.4~0.6N之间。

背包卡扣案例

对于背包卡扣模型（塑料材质），在 OptiStruct 的分析设置方面与插针模型是完全类似的过程，具体可下载附件模型进行比较。

同样通过 HyperView 和 HyeprGraph，可读取如下图所示的结构塑性应变以及卡簧侧面节点的位移。可以看出，由于背包卡扣塑料材质的弹性范围（屈服应力）过小，卡簧根部区域的内外侧都发生了较大的塑性变形，由此导致了卡簧侧面节点产生约0.3mm的不可恢复位移。

因此通过 OptiStruct 仿真，可以知晓该背包卡扣设计可能存在一定的缺陷，应考虑更换更优良的塑料材料，或者修改卡槽及卡簧的结构形态。

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