在處理帶磨擦接觸問題中的應(yīng)用河海學(xué)院土木工程大學(xué)，河南鄭州（）E-mail：要：本文介紹了ANSYS在處理帶磨擦接觸問題的方式以及須要注意的問題，并以面-面接觸為例，運用ANSYS對兩塊實體的帶磨擦接觸問題進行剖析。在估算中選擇了三種不同的受力情況進行剖析，并對結(jié)果進行了驗證，證明了ANSYS才能確切地處理帶磨擦接觸的問題。關(guān)鍵詞：ANSYS；面-面接觸；磨擦序言接觸問題是指研究兩個或兩個以上物體受載荷作用后形成局部撓度和變型的問題。接觸問題是一種高度非線性行為，大量存在于土木工程、機械工程等領(lǐng)域中。為了進行實為有效的剖析估算，理解問題的特點和完善合理的模型具有一定的重要性。接觸問題存在兩個較大的難點：其三，在求解問題之前，不曉得接觸區(qū)域，表面之間是接觸或分開是未知的、突然變化的，這隨荷載、材料、邊界條件和其它誘因而定；其一，大多數(shù)的接觸問題須要估算磨擦，可供選購的幾種磨擦定理和模型都是非線性的，磨擦使問題的收斂性顯得困難。ANSYS接觸剖析能解決典型的狀態(tài)非線性問題，在工程實踐中應(yīng)用廣泛。ANSYS持三種接觸形式：點-點，點-面，面-面，每種接觸形式使用的接觸單元適用于個別特定問題。
為了給接觸問題建模，首先必須認(rèn)識到模型中的什么部份可能會互相接觸。假如互相作用的其中之一是一個點，模型的對應(yīng)組元是節(jié)點；假如互相作用的其中之一是一個面，模型的對應(yīng)組元是單元。有限元模型通過指定的接觸單元來辨識可能的接觸對，接觸單元是覆蓋在剖析模型接觸面之上的一層單元。本文將旁邊-面接觸的情況進行剖析。面-面的接觸單元介紹2.1面-面的接觸單元ANSYS支持質(zhì)心-柔體的面-面的接觸單元，剛性面被當(dāng)做“目標(biāo)”面，分別用和來模擬2-D和3-D的“目標(biāo)”面。柔性體的表面被當(dāng)做“接觸”面，用，，，來模擬。一個目標(biāo)單元和一個接觸單元叫一個“接觸對”，程序通過一個共享的實常數(shù)號辨識“接觸對”。為了構(gòu)建一個“接觸對”，應(yīng)給目標(biāo)單元和接觸單元指定相同的實常數(shù)號。與點-面接觸單元相比，面-面接觸單元優(yōu)點如下：沒有質(zhì)心表面形狀的限制，質(zhì)心表面的光滑性不是必須容許有自然的或網(wǎng)格離散導(dǎo)致的表面不連續(xù)。時間。允許多種建模控制，比如：綁定接觸、漸變初始滲透、目標(biāo)面手動聯(lián)通到初始接觸、平移接觸面以及支持死活單元。2.2面-面的接觸剖析在涉及到兩個邊界的接觸問題中，把一個邊界作為“目標(biāo)”面而把另一個作為“接觸”面。
對于質(zhì)心-柔體的接觸，“目標(biāo)”面總是剛性的，“接觸”面總是柔性的，這兩個面合上去稱作“接觸對”。使用和或來定義2-D接觸對，使用和或來定義3-D接觸對，程序可以通過相同的實常數(shù)號來辨識“接觸對”。執(zhí)行一個典型的面-面接觸剖析的基本步驟如下：ANSYS高考慮磨擦?xí)r的接觸剖析應(yīng)該注意的問題3.1選擇磨擦類型磨擦是一種十分復(fù)雜的化學(xué)現(xiàn)象，與接觸表面的強度、濕度、法向撓度以及相對滑移速率等特點有關(guān)，其機理仍是研究中的課題。在工程剖析中，庫侖磨擦模型因其簡單和適用性而被廣泛應(yīng)用。在基本庫侖磨擦模型中，兩個接觸面在互相滑動之前，在接觸界面上會有達到某一大小的剪撓度形成。這些狀態(tài)稱為黏合狀態(tài)(stick)。庫侖磨擦模型定義了一個等效剪撓度，如圖1所示：τ=μP+庫侖磨擦模型式中，μ為材料屬性中定義的磨擦系數(shù)，CHOE為粘聚滑動阻力。剪撓度一旦超過等效剪撓度后，兩個表面之間開始發(fā)生互相滑動，這些狀態(tài)，稱作滑動狀態(tài)()。黏合和滑動的判定決定哪些時侯一個點從黏合狀態(tài)到滑動狀態(tài)，或從滑動狀態(tài)到黏合狀態(tài)，磨擦系數(shù)可以是任一非負(fù)值。
程序提供了一個不考慮接觸壓力而人為指定最大等效剪撓度的選項，假如等效剪撓度達到此值時，滑動將會發(fā)生。為了指定接觸界面上最大的許可剪撓度，設(shè)置常數(shù)（缺1.0E20），這些限制剪撓度的情況通常用于接觸壓力十分大的情況，以至于用庫侖理論估算出的界面剪撓度超過了材料的屈服極限。在沒有實測值時，可取=f為材料的單軸伸長率硬度。3.2表面作用模型面接觸單元支持法向雙向接觸模型和其它的熱學(xué)表面互相作用模型。使用(12)構(gòu)建不同的接觸表面行為的模型(12)=0構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)法向單邊接觸模型；也就是說，假如發(fā)生分離，法向壓力等(12)=1構(gòu)建粗糙接觸模型；拿來模擬無滑動、表面相當(dāng)粗糙的磨擦接觸問題，這些設(shè)置對應(yīng)于磨擦系數(shù)無窮大。(12)=2構(gòu)建無分離的接觸模型；拿來模擬那個一旦接觸就不再分開的問題，這些不分開是指對法向接觸而言，但容許有相對滑動。(12)=3構(gòu)建綁定的接觸模型；拿來模擬那個接觸一旦發(fā)生，表面在所有方向都是被綁定的問題。一旦接觸就再也不能脫開，也不容許有相對滑動。ANSYS處理接觸問題4.1估算模型概況本文以面-面接觸為例，運用ANSYS對兩塊實體的帶磨擦接觸問題進行剖析。
借此來驗證ANSYS在處理這種問題時的可靠性，同時加深對庫侖磨擦定理的理解。本文考慮的模型特點如下：兩個塊體聯(lián)接在一起，用實體單元進行模擬，兩者之間的聯(lián)接通過磨擦作用實現(xiàn)，將較大塊體的一端完全約束，在較小塊體的自由端施加豎向與水平向的均布載荷。對于該模型，采用的測試方式為：考慮磨擦作用時，須要同時考慮法向作用和切向作用，假如切向作用大，法向作用小，此時切向力可能小于磨擦力，兩個實體之間的聯(lián)接受到破壞摩擦力是畫在接觸面上嗎，出現(xiàn)滑移；反之，假如切向作用小，法向作用大，此時切向力大于磨擦力，兩者之間的聯(lián)接牢固，不會形成滑移。因而，本文將采用如下的荷載施加形式：對模型施加一個固定大小的法向力，同時對模型施加不同大小的切向力（其大小變化范圍在不同數(shù)目級之間），查看此時接觸面的撓度分布情況。4.2模型一將大小不同的兩個實體聯(lián)接在一起，大體的規(guī)格為1m3.6m1.4m，小體的規(guī)格為0.4m1.2m0.6m。如圖所示，用實體單元進行模擬，兩塊體之間的聯(lián)接通過磨擦作用實現(xiàn)，將較大實體的一端完全約束，在較小的實體上分別施加沿-Y方向和沿-X方向的均布面載荷。法向作用不變，即沿-X方向的均布面載荷大小等于100N/m，切向作用采用三種分布力：即沿-Y方向的均布面載荷分別為60N/m模型一兩實體接觸面的磨擦力采用庫侖磨擦模型，磨擦系數(shù)μ取用0.3，而粘聚滑動阻力CHOE（1）第一種加載情況法向作用不變，P=100N/m。
在這些情況下相當(dāng)于切向力大于等效剪撓度，接觸面接觸狀態(tài)等的分布如圖3所示。進行剖析摩擦力是畫在接觸面上嗎，其接觸壓力大小分布以及接觸面磨擦力大小分布等基本符合實際情況，同時對模型進行校核：通過接觸面上所有節(jié)點的法向接觸壓力總和等于法向力；接觸面上所有節(jié)點的磨擦力等于切向力，因而由力的平衡原則，模型的估算是正確的。（2）采用第二種加載情況第二種加載情況為：法向作用不變，P=100N/m。在這些情況下相當(dāng)于切向力等于等效剪撓度。在這些情況下，接觸面的磨擦力，法向接觸壓力以及滑移分布情況和第一種情況類似，如圖4所示。第二種加載情況估算結(jié)果（模型一）（3）第三種加載情況第三種加載情況為：法向作用不變，P=100N/m。在這些情況下相當(dāng)于切向力小于等效剪撓度。此時會出現(xiàn)錯誤警告,說明較小的體出現(xiàn)了質(zhì)心位移。為此，下邊將采用另一種模型進行剖析。4.3模型二為了重新檢查模第三種加載模式，在模型一的基礎(chǔ)上構(gòu)建模型二。模型二與模型一的區(qū)別在于：模型二在較小的塊體下邊降低了一個塊體，其彈性泊松比很小，拿來模擬柔性支座，如圖5所示。模型二采用第三種加載情況：法向作用不變，P=100N/m這些情況下相當(dāng)于切向力小于等效剪撓度。
接觸面的撓度分布如圖6所示。第三種加載情況估算結(jié)果（模型二）通過對柔性支座受力的剖析可以看出：當(dāng)切撓度小于等效剪撓度時，支座受力等于切應(yīng)力乘以等效剪撓度。等效剪撓度大小為：τ推論：本文通過對三種情況下的磨擦剖析得出以下推論：1.通過對以上兩種模型的測試可以看出，可以使用接觸單元來模擬磨擦問題。2.使用接觸單元來模擬磨擦問題，可以采用庫侖磨擦模型。3.通過接觸單元來模擬磨擦問題，可以清楚地了解接觸面的接觸壓力，磨擦力以及滑移情況。參考文獻王國強．《實用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實踐》［M］．陜西：東北工業(yè)學(xué)院出版社，1999.8．