接触分析03_摩擦

1、摩擦,第四章,May 16, 2005 Inventory #002256 4-2,摩擦章节预览,本章我们考虑ANSYS中是如何模拟摩擦的. 包括以下几个主题. 什么是摩擦? 弹性 Coulomb 模型 摩擦系数 定义参数 一些特殊的考虑,May 16, 2005 Inventory #002256 4-3,摩擦A. 什么是摩擦?,两个接触体的切向滑动可能是无摩擦的，但也可能需要考虑摩擦. 无摩擦时两物体相对滑动而没有任何阻力. 存在摩擦时，两物体间会产生剪应力.,May 16, 2005 Inventory #002256 4-4,摩擦消耗能量, 因此是与路径相关的行为. 载荷的加载方式应该

2、和实际情况相同. 时间步越小越精确. 注意，和塑性分析不同，自动时间步长不考虑摩擦响应的增加.,精确的时间步,真实路径,较粗糙的时间步,A,B,摩擦.什么是摩擦?,May 16, 2005 Inventory #002256 4-5,摩擦是一种复杂的物理现象，它是以下参数的函数: 接触材料 (包括润滑剂). 表面粗糙度. 温度. 摩擦物体间的相对速度. 摩擦中包括的复杂原理只能在数值上取得近似解. 实际上，即使在一个十分简单的摩擦力试验中施加固定的压力，其位移力响应曲线也十分的不规则:,摩擦.什么是摩擦?,May 16, 2005 Inventory #002256 4-6,在ANSYS中,

3、使用Coulomb模型施加摩擦力, 并考虑了剪切摩擦力和粘合力效应. Coulomb 法则要满足如下关系式: 其中m 为摩擦系数. 如果FT 超出的话, 两个物体会产生相对滑动.,摩擦B. Coulomb 模型,May 16, 2005 Inventory #002256 4-7,弹性 Coulomb 模型: 允许粘合和滑移 两物体都存在反向剪切力（TAU） 粘合条件: Ft m Fn 或 TAU TAUMAX 其中: TAU 为剪应力 TAUMAX缺省值为1e20,摩擦. Coulomb模型,May 16, 2005 Inventory #002256 4-8,弹性 Coulomb 模型:

4、允许粘合和滑移 一些单元使用实常数来定义TAUMAX.,|,p,TAUMAX,摩擦. Coulomb模型,May 16, 2005 Inventory #002256 4-9,弹性 Coulomb 模型: 允许粘合和滑移 粘合区域被视作弹性处理，切向刚度为KT 切向刚度和法向刚度类似 ：刚度越大精度越高, 刚度越小则越容易收敛. 用户可指定KT的值，或使用程序指定的值 （KT 1% KN).,摩擦. Coulomb模型,May 16, 2005 Inventory #002256 4-10,刚性Coulomb 模型: 接触无“粘合” 该模型仅适合模型在某固定方向连续滑动时. 例如使用研磨轮对部

5、件进行成型加工时. u = 0处的不连续等效于无穷大的刚度值.如果滑动停止或方向改变，则会出现收敛困难.,仅允许滑动摩擦.,摩擦. Coulomb模型,May 16, 2005 Inventory #002256 4-11,在Coulomb模型中，随着法向压力的增大，传递的最大剪应力也随之增大.,FT,u,p1,p2,压力增大使得滑移力也增大,摩擦. Coulomb模型,May 16, 2005 Inventory #002256 4-12,当然，接触面之间的剪切屈服限制了其剪应力的大小.,橡胶的剪切屈服使出现打滑并且这也限制了轮胎和道路之间可以传递的摩擦力.,摩擦. Coulomb模型,Ma

6、y 16, 2005 Inventory #002256 4-13,在某些情况下，接触表面粘合在一起，即使没有法向压力的作用也能提供滑移阻力. ANSYS中的一些单元能够模拟这种现象（使用粘合力COHE).,|,p,TAUMAX,COHE,摩擦. Coulomb模型,May 16, 2005 Inventory #002256 4-14,摩擦系数: 对于所有的 ANSYS 接触单元, 摩擦系数 m通过材料属性MU来指定 . （缺省时 m = 0） 滑动时的摩擦系数 m比静止时的小. 滑动时: 动摩擦系数. 静止时: 静摩擦系数. 面面单元 (171-174) 和点面单元(175)可以指定一个和

7、表面滑动速度相关的动摩擦系数. 点点接触单元（178）只限于小位移，因此只支持静摩擦系数.,摩擦C.摩擦系数,May 16, 2005 Inventory #002256 4-15,对于171-175 单元, 定义动摩擦系数的方程如下: MU = MUK*(1+(FACT-1)exp(-dc*vtfs/deltaT) 其中: MUK = 动摩擦系数 (用户定义) FACT = MUS/MUK (用户定义) MUS = 静摩擦系数 dc = 衰减系数 (用户定义) vtfs/deltaT =表面间滑动的相对速度 缺省值:FACT = 1,MUS=MUK=0 dc = 0,摩擦.摩擦系数,May

8、16, 2005 Inventory #002256 4-16,动摩擦系数和表面速度相关，这使得静动态之间平滑过度,摩擦.摩擦系数,May 16, 2005 Inventory #002256 4-17,面面接触和点面接触分析的摩擦设置可在接触属性对话框的摩擦菜单下定义. 点点接触单元通过材料属性来定义其静摩擦系数MU.,摩擦D.定义参数,May 16, 2005 Inventory #002256 4-18,考虑摩擦的接触问题会倒置不对称的刚度矩阵. 例如一个二维间隙单元滑动时有如下的非对称单元矩阵: 然而，使用非对称求解器比对称求解器更加费时. 因此，ANSYS使用对称化算法，这样可使得包

9、括摩擦的接触问题也使用对称矩阵进行求解,摩擦E. 一些特殊的考虑,May 16, 2005 Inventory #002256 4-19,摩擦.一些特殊的考虑,如果收敛较慢的话，可使用非对称选项(NROPT, UNSYM) 在这种情况下可使用稀疏矩阵求解器（推荐）或者波前求解器，两者都支持非对称矩阵 用户应该牢记：使用非对称求解器进行求解的时间比对称求解器用的时间要多的多 PCG 求解器不支持非对称矩阵,May 16, 2005 Inventory #002256 4-20,当使用点面接触单元 (175) 进行有摩擦的接触分析时, 接触法向的定义尤其重要.,接触单元,r,s,n,r,s,n,目标单元,KEYOPT(4)=1:使用接触面法向. 摩擦组件直接在接触节点上创建 参考坐标系由相邻节点创建.,n,s,r,目标面,接触面,I,J,KEYOPT(4)=0: 使用目标面法向 三维分析中摩擦滑移的方向很难确定.,摩擦.一些特殊的考虑,May 16, 2005 Inventory #002256 4-21,ANSYS