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(yùn)用ANSYS對兩塊實(shí)體的帶磨擦接觸問題進(jìn)行剖析。在估算中選擇了三種不同的受力情況進(jìn)行剖析，并對結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)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(gè)或兩個(gè)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(jī)械工程等領(lǐng)域中。為了進(jìn)行實(shí)為有效的剖析估算，理解問題的特點(diǎn)和完善合理的模型具有一定的重要性。接觸問題存在兩個(gè)較大的難點(diǎn)：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(shí)踐中應(yīng)用廣泛。ANSYS持三種接觸形式：點(diǎn)-點(diǎn)，點(diǎn)-面，面-面，每種接觸形式使用的接觸單元適用于個(gè)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(huì)互相接觸。假如互相作用的其中之一是一個(gè)點(diǎn)，模型的對應(yīng)組元是節(jié)點(diǎn)；假如互相作用的其中之一是一個(gè)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(jìn)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(gè)目標(biāo)單元和一個(gè)接觸單元叫一個(gè)“接觸對”，程序通過一個(gè)共享的實(shí)常數(shù)號辨識“接觸對”。為了構(gòu)建一個(gè)“接觸對”，應(yīng)給目標(biāo)單元和接觸單元指定相同的實(shí)常數(shù)號。與點(diǎn)-面接觸單元相比，面-面接觸單元優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(dòng)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(gè)邊界的接觸問題中，把一個(gè)邊界作為“目標(biāo)”面而把另一個(gè)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(gè)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(shí)常數(shù)號來辨識“接觸對”。執(zhí)行一個(gè)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(qiáng)度、濕度、法向撓度以及相對滑移速率等特點(diǎn)有關(guān)，其機(jī)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(gè)接觸面在互相滑動(dòng)之前，在接觸界面上會(huì)有達(dá)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(gè)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(dòng)阻力。剪撓度一旦超過等效剪撓度后，兩個(gè)表面之間開始發(fā)生互相滑動(dòng)，這些狀態(tài)，稱作滑動(dòng)狀態(tài)()。黏合和滑動(dòng)的判定決定哪些時(shí)侯一個(gè)點(diǎn)從黏合狀態(tài)到滑動(dòng)狀態(tài)，或從滑動(dòng)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(gè)不考慮接觸壓力而人為指定最大等效剪撓度的選項(xiàng)，假如等效剪撓度達(dá)到此值時(shí)，滑動(dòng)將會(huì)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(shí)測值時(shí)，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(dòng)、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(gè)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(dòng)。(12)=3構(gòu)建綁定的接觸模型；拿來模擬那個(gè)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(dòng)。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(yùn)用ANSYS對兩塊實(shí)體的帶磨擦接觸問題進(jìn)行剖析。
借此來驗(yàn)證ANSYS在處理這種問題時(shí)的可靠性，同時(shí)加深對庫侖磨擦定理的理解。本文考慮的模型特點(diǎn)如下：兩個(gè)塊體聯(lián)接在一起，用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，兩者之間的聯(lián)接通過磨擦作用實(shí)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(shí)，須要同時(shí)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(shí)切向力可能小于磨擦力，兩個(gè)實(shí)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(shí)切向力大于磨擦力，兩者之間的聯(lián)接牢固，不會(huì)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(gè)固定大小的法向力，同時(shí)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(shí)接觸面的撓度分布情況。4.2模型一將大小不同的兩個(gè)實(shí)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(shí)體單元進(jìn)行模擬，兩塊體之間的聯(lián)接通過磨擦作用實(shí)現(xiàn)，將較大實(shí)體的一端完全約束，在較小的實(shí)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(shí)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(dòng)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(jìn)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(shí)際情況，同時(shí)對模型進(jìn)行校核：通過接觸面上所有節(jié)點(diǎn)的法向接觸壓力總和等于法向力；接觸面上所有節(jié)點(diǎn)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(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)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(jìn)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(gè)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(shí)，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(xiàn)王國強(qiáng)．《實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐》［M］．陜西：東北工業(yè)學(xué)院出版社，1999.8．