概述：

接觸是應力分析中的關鍵因素。選擇正確類型的接觸對應力分析的成功至關重要。本案例比較了使用不同類型接觸的模擬結果:粘結接觸、摩擦接觸和無摩擦接觸。結果強調了選擇真實接觸類型的重要性。

目標：

1、比較粘結、無摩擦和摩擦接觸

2、理解選擇正確接觸類型的重要性

步驟：

對梁柱節(jié)點建模，考慮梁與柱之間的摩擦接觸

1、打開Ansys Workbench，創(chuàng)建一個"靜力結構"分析，檢查單位。

2、導入幾何圖形(圖1)。

圖 1 螺栓螺紋模型的幾何形狀

對幾何模型進行網格劃分。建議在螺栓和孔洞周圍進行網格加密，以提供足夠的離散精度，準確刻畫幾何形狀。采用線性單元，使總節(jié)點數(shù)低于學術版軟件許可的限制。設置全局網格尺寸為 25 mm，對螺栓和節(jié)點區(qū)域采用局部網格尺寸 10 mm，對孔洞采用5 mm 的網格尺寸。網格劃分后的模型示意圖如圖 2 所示。

圖 2 網格模型的示意圖

3、定義各部件之間的接觸關系。軟件會自動在相互鄰近的部件之間設置綁定接觸。將螺栓與孔之間的接觸類型改為無摩擦接觸，其余所有接觸均設置為摩擦接觸，摩擦系數(shù)取 0.2。本案例重點考察梁與柱之間的接觸，并采用摩擦接觸進行計算。螺栓預緊力會在梁與柱之間產生壓力，而摩擦接觸可阻止二者發(fā)生相對滑移（見圖 3）。

圖 3 梁與柱之間的摩擦接觸

4、定義分析設置并施加邊界條件。

設置兩個分析步：

第一步，施加螺栓預緊力；

第二步，在梁的頂面施加豎向荷載。

邊界條件示意圖如圖 4 所示。施加螺栓預緊力時需要建立局部坐標系，且z 軸需與螺栓軸線保持一致（見圖 5）。

圖 4 邊界條件的示意圖

圖 5 螺栓預張分配的局部坐標系示意圖

5、運行仿真并查看結果。提取總變形和等效應力云圖等結果圖表，同時生成節(jié)點局部區(qū)域的云圖，用于對比節(jié)點剛度。

采用無摩擦接觸方式對梁柱節(jié)點進行建模

6、開展梁與柱間為無摩擦接觸的分析。在 Workbench 中復制該分析系統(tǒng)，并將其重命名為 “無摩擦接觸”。在 Mechanical 中編輯模型，將梁與柱之間的接觸改為無摩擦接觸。重新運行仿真，并與摩擦接觸工況下的結果進行對比。圖 6 給出了節(jié)點區(qū)域的變形云圖。可以看出，引入摩擦會減小梁的變形。圖 7 通過繪制接觸狀態(tài)云圖解釋了圖 6 中的差異。從圖 7 中可以觀察到：當接觸類型為無摩擦接觸時，梁表面與柱表面之間發(fā)生相對滑移；而當采用摩擦接觸時，兩個表面保持粘結貼合。

             （a） 摩擦接觸                                                                          （b） 無摩擦接觸

圖 6 接合處的變形等高線圖

              (a) 摩擦接觸：接觸面在孔洞                                                     (b) 無摩擦接觸：接觸面在孔

                  周圍相互貼合（無滑移）                                                           洞周圍發(fā)生相對滑移

圖 7 接觸狀態(tài)比較

采用綁定接觸對梁柱節(jié)點進行建模

7、對梁與柱之間采用綁定接觸進行分析。

在 Workbench 中復制 “無摩擦接觸” 分析系統(tǒng)，并重命名為 “綁定接觸”。在 Mechanical 中編輯模型，將梁與柱之間的接觸改為綁定接觸。重新運行仿真并查看結果。圖 8 顯示，其最大變形遠小于另外兩種接觸工況，這表明綁定接觸能更好地約束兩個接觸面。但圖 9 中的接觸狀態(tài)云圖表明，兩個接觸面完全粘結在一起，這與實際情況不符。

圖 8 接合處的變形等高線圖

圖 9 粘結接觸的接觸狀態(tài)圖

總結：

本案例闡述了螺栓預緊力建模的流程，并對比了有無螺栓預緊力情況下的仿真結果。施加螺栓預緊力能夠提升結構整體性、優(yōu)化應力分布并提高節(jié)點剛度。

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