在处理带磨擦接触问题中的应用河海学院土木工程大学，河南郑州（）E-mail：要：本文介绍了ANSYS在处理带磨擦接触问题的方式以及须要注意的问题，并以面-面接触为例，运用ANSYS对两块实体的带磨擦接触问题进行剖析。在估算中选择了三种不同的受力情况进行剖析，并对结果进行了验证，证明了ANSYS才能确切地处理带磨擦接触的问题。关键词：ANSYS；面-面接触；磨擦序言接触问题是指研究两个或两个以上物体受载荷作用后形成局部挠度和变型的问题。接触问题是一种高度非线性行为，大量存在于土木工程、机械工程等领域中。为了进行实为有效的剖析估算，理解问题的特点和完善合理的模型具有一定的重要性。接触问题存在两个较大的难点：其三，在求解问题之前，不晓得接触区域，表面之间是接触或分开是未知的、突然变化的，这随荷载、材料、边界条件和其它诱因而定；其一，大多数的接触问题须要估算磨擦，可供选购的几种磨擦定理和模型都是非线性的，磨擦使问题的收敛性显得困难。ANSYS接触剖析能解决典型的状态非线性问题，在工程实践中应用广泛。ANSYS持三种接触形式：点-点，点-面，面-面，每种接触形式使用的接触单元适用于个别特定问题。
为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的什么部份可能会互相接触。假如互相作用的其中之一是一个点，模型的对应组元是节点；假如互相作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元。有限元模型通过指定的接触单元来辨识可能的接触对，接触单元是覆盖在剖析模型接触面之上的一层单元。本文将旁边-面接触的情况进行剖析。面-面的接触单元介绍2.1面-面的接触单元ANSYS支持质心-柔体的面-面的接触单元，刚性面被当做“目标”面，分别用和来模拟2-D和3-D的“目标”面。柔性体的表面被当做“接触”面，用，，，来模拟。一个目标单元和一个接触单元叫一个“接触对”，程序通过一个共享的实常数号辨识“接触对”。为了构建一个“接触对”，应给目标单元和接触单元指定相同的实常数号。与点-面接触单元相比，面-面接触单元优点如下：没有质心表面形状的限制，质心表面的光滑性不是必须容许有自然的或网格离散导致的表面不连续。时间。允许多种建模控制，比如：绑定接触、渐变初始渗透、目标面手动联通到初始接触、平移接触面以及支持死活单元。2.2面-面的接触剖析在涉及到两个边界的接触问题中，把一个边界作为“目标”面而把另一个作为“接触”面。
对于质心-柔体的接触，“目标”面总是刚性的，“接触”面总是柔性的，这两个面合上去称作“接触对”。使用和或来定义2-D接触对，使用和或来定义3-D接触对，程序可以通过相同的实常数号来辨识“接触对”。执行一个典型的面-面接触剖析的基本步骤如下：ANSYS高考虑磨擦时的接触剖析应该注意的问题3.1选择磨擦类型磨擦是一种十分复杂的化学现象，与接触表面的强度、湿度、法向挠度以及相对滑移速率等特点有关，其机理仍是研究中的课题。在工程剖析中，库仑磨擦模型因其简单和适用性而被广泛应用。在基本库仑磨擦模型中，两个接触面在互相滑动之前，在接触界面上会有达到某一大小的剪挠度形成。这些状态称为黏合状态(stick)。库仑磨擦模型定义了一个等效剪挠度，如图1所示：τ=μP+库仑磨擦模型式中，μ为材料属性中定义的磨擦系数，CHOE为粘聚滑动阻力。剪挠度一旦超过等效剪挠度后，两个表面之间开始发生互相滑动，这些状态，称作滑动状态()。黏合和滑动的判定决定哪些时侯一个点从黏合状态到滑动状态，或从滑动状态到黏合状态，磨擦系数可以是任一非负值。
程序提供了一个不考虑接触压力而人为指定最大等效剪挠度的选项，假如等效剪挠度达到此值时，滑动将会发生。为了指定接触界面上最大的许可剪挠度，设置常数（缺1.0E20），这些限制剪挠度的情况通常用于接触压力十分大的情况，以至于用库仑理论估算出的界面剪挠度超过了材料的屈服极限。在没有实测值时，可取=f为材料的单轴伸长率硬度。3.2表面作用模型面接触单元支持法向双向接触模型和其它的热学表面互相作用模型。使用(12)构建不同的接触表面行为的模型(12)=0构建标准法向单边接触模型；也就是说，假如发生分离，法向压力等(12)=1构建粗糙接触模型；拿来模拟无滑动、表面相当粗糙的磨擦接触问题，这些设置对应于磨擦系数无穷大。(12)=2构建无分离的接触模型；拿来模拟那个一旦接触就不再分开的问题，这些不分开是指对法向接触而言，但容许有相对滑动。(12)=3构建绑定的接触模型；拿来模拟那个接触一旦发生，表面在所有方向都是被绑定的问题。一旦接触就再也不能脱开，也不容许有相对滑动。ANSYS处理接触问题4.1估算模型概况本文以面-面接触为例，运用ANSYS对两块实体的带磨擦接触问题进行剖析。
借此来验证ANSYS在处理这种问题时的可靠性，同时加深对库仑磨擦定理的理解。本文考虑的模型特点如下：两个块体联接在一起，用实体单元进行模拟，两者之间的联接通过磨擦作用实现，将较大块体的一端完全约束，在较小块体的自由端施加竖向与水平向的均布载荷。对于该模型，采用的测试方式为：考虑磨擦作用时，须要同时考虑法向作用和切向作用，假如切向作用大，法向作用小，此时切向力可能小于磨擦力，两个实体之间的联接受到破坏摩擦力是画在接触面上吗，出现滑移；反之，假如切向作用小，法向作用大，此时切向力大于磨擦力，两者之间的联接牢固，不会形成滑移。因而，本文将采用如下的荷载施加形式：对模型施加一个固定大小的法向力，同时对模型施加不同大小的切向力（其大小变化范围在不同数目级之间），查看此时接触面的挠度分布情况。4.2模型一将大小不同的两个实体联接在一起，大体的规格为1m3.6m1.4m，小体的规格为0.4m1.2m0.6m。如图所示，用实体单元进行模拟，两块体之间的联接通过磨擦作用实现，将较大实体的一端完全约束，在较小的实体上分别施加沿-Y方向和沿-X方向的均布面载荷。法向作用不变，即沿-X方向的均布面载荷大小等于100N/m，切向作用采用三种分布力：即沿-Y方向的均布面载荷分别为60N/m模型一两实体接触面的磨擦力采用库仑磨擦模型，磨擦系数μ取用0.3，而粘聚滑动阻力CHOE（1）第一种加载情况法向作用不变，P=100N/m。
在这些情况下相当于切向力大于等效剪挠度，接触面接触状态等的分布如图3所示。进行剖析摩擦力是画在接触面上吗，其接触压力大小分布以及接触面磨擦力大小分布等基本符合实际情况，同时对模型进行校核：通过接触面上所有节点的法向接触压力总和等于法向力；接触面上所有节点的磨擦力等于切向力，因而由力的平衡原则，模型的估算是正确的。（2）采用第二种加载情况第二种加载情况为：法向作用不变，P=100N/m。在这些情况下相当于切向力等于等效剪挠度。在这些情况下，接触面的磨擦力，法向接触压力以及滑移分布情况和第一种情况类似，如图4所示。第二种加载情况估算结果（模型一）（3）第三种加载情况第三种加载情况为：法向作用不变，P=100N/m。在这些情况下相当于切向力小于等效剪挠度。此时会出现错误警告,说明较小的体出现了质心位移。为此，下边将采用另一种模型进行剖析。4.3模型二为了重新检查模第三种加载模式，在模型一的基础上构建模型二。模型二与模型一的区别在于：模型二在较小的块体下边降低了一个块体，其弹性泊松比很小，拿来模拟柔性支座，如图5所示。模型二采用第三种加载情况：法向作用不变，P=100N/m这些情况下相当于切向力小于等效剪挠度。
接触面的挠度分布如图6所示。第三种加载情况估算结果（模型二）通过对柔性支座受力的剖析可以看出：当切挠度小于等效剪挠度时，支座受力等于切应力乘以等效剪挠度。等效剪挠度大小为：τ推论：本文通过对三种情况下的磨擦剖析得出以下推论：1.通过对以上两种模型的测试可以看出，可以使用接触单元来模拟磨擦问题。2.使用接触单元来模拟磨擦问题，可以采用库仑磨擦模型。3.通过接触单元来模拟磨擦问题，可以清楚地了解接触面的接触压力，磨擦力以及滑移情况。参考文献王国强．《实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践》［M］．陕西：东北工业学院出版社，1999.8．