接觸摩擦模擬的案例
有限元分析中的接觸和摩擦模擬（一）
1 接觸分析的挑戰性
接觸是在固體力學各個領域中普遍存在的問題。對自然界中許多物理問題的描述都涉及接觸現象。例如零部件裝配時的配合，橡膠密封元件的防漏，輪胎與地面的相互作用，撞擊問題以及壓力加工行業的大量成型工藝過程等。
接觸過程中兩個物體在接觸界面上的相互作用是復雜的力學現象，同時也是它們損傷直至失效破壞的重要原因。從力學分析角度看，接觸是邊界條件高度非線性的復雜問題，需要準確追蹤接觸前多個物體的運動以及接觸發生后這些物體之間的相互作用，同時包括正確模擬接觸面之間的摩擦行為和可能存在的接觸間隙傳熱。其中極少數的接觸問題可以解析處理，絕大多數接觸問題只能采用有限元、離散元、邊界元等數值方法進行模擬，其中有限元法的應用最為廣泛。對接觸全過程進行有限元仿真，現在不僅可以實現，而且正逐步成為CAE/CAM的重要組成部分。
在實際工程中，有限元接觸分析的計算結果經常用于對某些設計參數進行優化設計，例如對輪胎進行結構優化以提高安全性和壽命。如果采用基于梯度的優化算法，需要得到力學變量（位移、應力、接觸反力分布狀況等）相對于設計參數（材料、尺寸、形狀、拓撲結構等）的變化曲線和相應的敏度（梯度）。對于無摩擦接觸情況，現有的有限元接觸算法，例如拉氏乘子法、罰函數法等，能夠得到足夠穩定的敏度數據；但是對于有摩擦接觸情況，如果不采取一些特殊的處理，則很難得到穩定的數值結果，梯度的數值通常隨載荷和網格的改變而發生劇烈的振蕩，不具備可用性。
展開 有限元分析中的接觸和摩擦模擬（四）
連續二次規劃法的基本流程如下：
11 摩擦的全局算法
對于摩擦情況，需要區分粘接和滑動兩種狀態。粘結狀態相當于切向位移約束，摩擦力即界面上的約束反力。與此相反，在滑動狀態下，摩擦力需要根據界面上的切向滑移本構關系確定。
11.1 罰函數法
罰函數法構建的摩擦接觸問題的求解方程可表示如下，
其中，tT(u)為摩擦力矢量。在tn+1時刻，粘結或滑動狀態的摩擦力由下式給出
式中，aT為相對滑動速度的方向矢量。
根據以上列式，可以建立求解摩擦接觸問題的算法。對于總體求結果中的一個載荷增量步，罰函數法的算法流程可概括如下。
以上處理摩擦的流程也可用于拉氏乘子法接觸求解。
展開 有限元分析中的接觸和摩擦模擬（三）
7 摩擦數值算法簡介
在過去的三十年間，計算接觸力學領域發展了多種用于求解摩擦接觸問題的算法。在對摩擦接觸問題進行數值模擬時，一個主要困難是摩擦力與切向滑動量之間的本構關系是非光滑的，本構函數在某些點上不可微分，從而造成數值計算中迭代收斂困難，這個問題可以通過對摩擦本構關系的規則化來解決。
目前已有多種迭代方案用于帶摩擦的接觸分析，可大致分為以下幾類：試探-校核算法、基于塑性理論中的彈塑性類比方法、基于優化理論的數學規劃方法。后兩類方法以嚴密的數學理論為基礎，其可靠性高于試探-校核算法。
試探-校核算法通常是應用于小變形情況。對于摩擦接觸問題，解的唯一性和存在性均不能保證，因此試探-校核算法在很多情況下并不可靠。但試探-校核算法仍然得到了成功的應用，在顯式有限元分析中能夠獲得合理的結果。
近幾十年，Coulomb定律和其他摩擦本構關系被納入塑性理論的研究范疇，基于彈塑性理論的返回映射方案已成功應用于有限元摩擦接觸分析，該方案使算法的收斂行為和可靠性產生了本質的提高。返回映射方案最初用于材料非線性問題，用以積分彈塑性本構關系。將摩擦定律類比為彈塑性本構關系，就可以將返回映射方案應用于帶摩擦的接觸分析。由于摩擦本構關系的非關聯性，返回映射方案所得到的切線剛度矩陣通常不對稱，增加了數值求解的難度。除返回映射方案之外，其他幾種來源于塑性理論的方法，例如屈服極限拉氏乘子法，也已用于摩擦接觸問題的數值分析中。
數學規劃方案在摩擦的模擬中也有較為成功的應用。
展開 有限元分析中的接觸和摩擦模擬（二）
該方法可用于分析無摩擦接觸問題，也可用于大變形摩擦接觸問題。增廣拉格朗日技術可以與Uszawa算法結合在一起使用，在計算流程中使用嵌套的雙重循環，內循環用以處理接觸約束條件，外循環用以更新拉格朗日乘子。嵌套迭代方式增加了總的迭代次數，但是使算法的數值實現變得簡潔。
5 接觸邊界條件和弱形式
5.1 接觸問題的變分形式
因為接觸條件是不等式約束，我們可以導出接觸問題的等效變分不等式形式，位移場的解u必須滿足該不等式。
AnsysWB摩擦效應-木樁堆疊的模擬 ￥10
本案例在展示摩擦力的影響。對木料堆在重力載荷下的運動進行了建模。首先進行了木料之間無摩擦接觸的模擬，然后通過改變接觸為有摩擦的方式重復模擬。增加足夠大的摩擦力有助于木料堆保持整體性。模擬采用顯式動力學分析，并假設木料為剛性體，因為它們的應變不是本次模擬關注的重點.
綁定、無摩擦與摩擦接觸的對比分析
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：
對梁柱節點建模，考慮梁與柱之間的摩擦接觸
1、打開Ansys Workbench，創建一個"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，使總節點數低于學術版軟件許可的限制。設置全局網格尺寸為 25 mm，對螺栓和節點區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）。
展開 ANSYS接觸摩擦熱分析
ANSYS接觸摩擦熱分析
例子來源于ANSYS幫助文檔。
分析兩接觸面的摩擦熱，模型如圖1所示。上面的摩擦面一直滑動，與下接觸面摩擦產生熱。分析時采用直接耦合的方法，采用plane13單元，屬于2D耦合場單元，接觸面的目標面采用TARGET169，接觸面采用CONTA171。分析時采用瞬態分析步完成。
圖1
材料、幾何尺寸與載荷約束如圖2所示。
圖2
建模時創建兩個blocks，上面的稱為sliding block，sliding block的下表明為CONTACT AREA，下面的為fixed block，fixed block的上表面為TARGET AREA。
第一個載荷步，sliding block在10MPa的壓力作用下沿著fixed block的上表面滑動3.75mm的距離?；瑒舆^程中產生熱源，并且被兩個block吸收。
定義block單元
ET,1,PLANE13,4 !后面的4表示KOP1系數為4，代表自由度為UX, UY, TEMP
其他過程為定義材料屬性和建模以及定義接觸屬性。
展開 關于摩擦接觸分析
? 用戶可指定KT的值，或使用程序指定的值（KT ＝1% KN)
? 剛性Coulomb 模型:
? 接觸無“粘合”
– 該模型僅適合模型在某固定方向連續滑動時.
? 例如使用研磨輪對部件進行成型加工時.
– u = 0處的不連續等效于無窮大的剛度值.如果滑動停止或方向改變，則會出現收斂困難.
? 在Coulomb模型中，隨著法向壓力的增大，傳遞的最大剪應力也隨之增大.
? 當然，接觸面之間的剪切屈服限制了其剪應力的大小.
? 在某些情況下，接觸表面粘合在一起，即使沒有法向壓力的作用也能提供滑移阻力.
? ANSYS中的一些單元能夠模擬這種現象（使用粘合力COHE).
? 摩擦系數:
? 對于所有的 ANSYS 接觸單元, 摩擦系數 m通過材料屬性MU來指定 . （缺省時 m = 0）
? 滑動時的摩擦系數 m比靜止時的小.
– 滑動時: 動摩擦系數.
– 靜止時: 靜摩擦系數.
? 面－面單元 (171-174)和點－面單元(175)可以指定一個和表面滑動速度相關的動摩擦系數.
展開 輪胎-地面滾動摩擦接觸有限元分析
由于充氣輪胎是由簾線、橡膠、鋼絲圈等組成的復雜結構體, 正常工作狀態下受力復雜, 其結構分析涉及到材料非線性、幾何非線性及輪胎與地面的接觸非線性等復雜問題, 使得對輪胎的各種力學性能的精確分析都非常困難。
1、問題描述
地面假設為剛性面，材料為結構鋼，輪胎的材料模型使用2參數M-R模型，密度為2500，C10=10MPa，C01=2.5E8Pa，D1=1E-5。輪胎和地面的摩擦系數為0.35，輪胎內部承受恒定壓力0.1MPa，并且承受3000N的載荷。輪胎從0-3s，由0RPM加速到68RPM。輪胎的厚度為0.006m。
2、技術路線
3、關鍵步驟
來源：CAE技術聯盟
展開 ansys中定義面面之間的無摩擦接觸
定義中間實體，兩邊夾著實體 兩個面的無摩擦接觸，面面之間可以又可以分離，不知道怎么定義接觸好？
是否可以直接定義摩擦系數為0呢。
求救?。。。。。。。。。。。?！1
接觸摩擦運動的約束、預應力、載荷加載問題
4、因存在靜摩擦和動摩擦的轉化。怎樣設置轉化的界限？
譬如，可能有三種情況：
㈠ S1靜摩擦，S2靜摩擦
㈡ S1靜摩擦，S2動摩擦
㈢ S1動摩擦，S2動摩擦
剛學ANSYS，請求指點，不勝感激！
圖1
圖2
圖3
對摩擦型高強螺栓的長連接接觸分析探討
摩擦型高強螺栓是鋼結構中常用的螺栓連接形式。在設計中認為鋼板之間的拉力完全通過鋼板之間的接觸摩擦力傳遞，不考慮螺桿受剪或受彎，為此，需要在螺栓上施加一定水平的預拉力。對于采用多排螺栓傳遞拉力的鋼板搭接連接，當螺栓排數較多時，螺栓傳力的不平衡性已經得到實驗驗證，但涉及接觸問題的數值計算分析目前尚不多見，本文嘗試通過COSMOS有限元軟件分析拉力在鋼板之間的傳遞規律，希望能對工程應用有所幫助。
附件引用地址：http://www.idnovo.com.cn/article/2010/0311/article_60930.html
對摩擦型高強螺栓的長連接接觸分析探討.doc
展開 nastran_patran線接觸摩擦方面分析例1
分享一個nastran_patran線接觸摩擦方面分析例子，希望能有點價值
nastran_patran線接觸摩擦方面分析例1-1.rar
nastran_patran線接觸摩擦方面分析例1-2.rar
Abaqus子程序系列：FRIC（定義接觸表面的摩擦行為）
abaqus用戶子程序fric，在接觸分析中，定義復雜的摩擦模型，或者在熱力耦合分析中，定義摩擦生熱時，潛力巨大。這里先將子程序相關的基礎知識，進行了整理。后續會更新基于子程序的相關應用案例。
1.概述：
用戶子程序FRIC對應于關鍵字*FRICTION（定義一個摩擦模型。用于將摩擦特性引入表面接觸模型中，來控制接觸表面、接觸對或連接器單元的切向接觸行為。），以及交互界面里的接觸屬性中切向行為的所有內容（除了用戶自定義外，abaqus中可以定義5種類型的摩擦行為（摩擦公式），每個公式中，主要是定義三方面的內容：摩擦因子，剪切應力，彈性滑動（可以恢復的滑動位移））。
用戶子程序FRIC：
可用于定義接觸面間的摩擦行為；
當Abaqus中提供的經典庫侖摩擦模型的擴展版本限制太嚴格，或者需要在接觸面間定義更復雜的切向應力時，可以使用；
當接觸屬性模型包含用戶子程序定義的摩擦時，當接觸點閉合時，接觸對的從屬表面上的節點或者接觸單元的積分點會調用子程序；
每個增量步里的每次迭代，接觸對中，從表面上，處于接觸閉合狀態的節點，會調用子程序。
展開 使用 COMSOL 分析涉及粘滑摩擦的瞬態接觸問題
對于許多接觸問題，粘滑摩擦轉換是一個重要分析點。這種現象可以影響兩個物體的接觸區域附近的應力、應變和變形。COMSOL 軟件提供了處理此類力學接觸問題及驗證結果所需的工具。通過清晰地了解粘滑摩擦轉換及其后續影響，我們可以提高相關系統的安全性和能效。
機械接觸問題中的粘滑現象
每一天，我們都可以聽到汽車輪胎剎車或火車進站停車時發出的噪音。雖然我們很熟悉這個聲音，但對它們背后的現象未必清楚。
粘滑現象出現在許多應用中，例如即將?？吭谡厩暗幕疖嚒D片來自DozoDomo。在 CC BY-SA 2.0 許可下使用，通過 Flickr Creative Commons 分享。
粘滑是力學接觸應用中的常見現象，它描述當兩個表面時而彼此粘附，時而相對滑動的交替運動。當這種運動發生時，摩擦力會發生相應的變化?？偟膩碚f，這些相互作用可以影響兩個物體接觸區域周圍的應力、應變和變形，進而又影響系統的效率和安全性。
“案例庫”提供了一個新教程，可用于處理涉及粘滑摩擦轉換的瞬態接觸問題。讓我們來看一看模型的設置及其生成的結果。
注意：此示例目前可通過更新“案例庫”來獲得。
在 COMSOL Multiphysics? 中分析瞬態接觸問題
在此例中，模型幾何體由半管和中空軟管的截面組成。半管的過渡段長度為 50 cm，半徑約為 1 m。同時，軟管的厚度為 2 cm，半徑為 15 cm。
模型幾何。
在半管式滑道頂部釋放一根受重力載荷作用的中空軟管，其質心比水平面高 75 cm。兩個物體始終相互接觸。根據軟管的速度及其在滑道中的位置，軟管運動在滑動和滾動之間變化。我們利用指數動態庫侖摩擦模型，將摩擦系數定義為滑移速度的函數。
針對這項仿真研究，我們感興趣的值是軟管的位移和能量平衡——后者可用于驗證結果的準確性。計算時間為四秒。
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