关于接触非线性问题

锦江

　　结构部件在加载过程中通过接触、冲击和挤压等传递力的问题在力学中称为接触问题。工程中常见的接触问题有“齿轮啮合、轴承、轮轨接触、汽车碰撞、金属成型等。
　　接触问题有几个典型的特点：
　　(1)边界条件在加载过程中变化，且未知;
　　(2)边界非线性(载荷与变形和接触状态有关)
　　(3)接触面本构规律复杂。
　　目前求解接触问题最有效的方法是有限元法，接触包括节点对接触、点面接触和面面接触，比较常见的是面面接触，如图1.


　　图1
　　将A、B体上的节点对的局部坐标差定义为间隙矢量。接触边界条件可分为三类：
　　(1)开式(Open)：间隙值大于0;
　　(2)粘式(stick)：法向无间隙，切向无滑移;
　　(3)滑移(sliding)：法向无间隙，切向有滑移。
　　在用Abaqus计算接触问题后，可以查看接触状态，可以明显区分三种不同的接触状态，分别为绿色、蓝色和红色。开式表示没有接触上，粘式表示接触面只有正压力的作用，没有切向相对位移，滑移则既有法向力作用也有切向力作用，其中切向力即摩擦力的作用，其大小与法向力和摩擦系数有关。
　　在ANSYS中和Abaqus中接触面和目标面的叫法不太一样，在ANSYS中分别为(contact surface)和(target surface)，在Abaqus中对应的为主面和从面，分别为(master surface)和(slave surface)，contact surface对应slave surface，target surface对应master surface。
　　接触面和目标面组成一个接触对，在确定接触面和目标面的时候有一些原则，这些原则也不是绝对的：
　　(1)如凸面可能与一个平面或凹面接触，则平面或凹面应当为目标面。
　　(2)如两个面的网格疏密不同，则较密网格的面应该为接触面，而较粗的面为目标面;
　　(3)如一个面比另一个面刚，则较柔的面应该为接触面，较刚的面为目标面;
　　(4)如果高阶和低阶单元位于不同的面，则高阶为接触面，低阶为目标面;
　　(5)如果一个面明显比另一个面大，则较大的面应指定为目标面。
　　接触对的属性包含的内容很多：接触检测点、侵入距离、Pinball运算、接触刚度、接触方向、接触面行为、初始接触条件等等。在定义接触的时候通常先尝试使用默认设置执行接触分析，然后根据分析中遇到的具体困难和特殊情况修改设置。在ANSYS里面便是采用接触向导定义。

　　Htbbzzg老师总结了一些问题作为提示，是否需要改变默认的接触属性，如下所示。



　　在Abaqus中的接触相关概念和ANSYS差不多，比较显著的一个属性是有限滑移和小滑移。有限滑移(FINITE SLIDING) 两个接触面之间可以有任意的相对滑动，这是定义接触时的默认特性。在有限滑移的过程中，ABAQUS/STANDARD需要不断地判定从面节点和主面的哪一部分发生接触，因此计算代价较大。有限滑移要求主面是光滑的。

　　小滑移(SMALL SLIDING) 两个接触面之间只有很小的相对滑动，滑动量大小只是单元尺寸的一小部分。对于小滑移的接触时，ABAQUS/STANDARD在分析的开始就确定了从面节点和主面的哪一部分发生接触，在整个分析过程中这种接触关系不会再发生变化。因此，小滑移的计算代价小于有限滑移。


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