界面接觸力學
關注創建者：匿名 創建時間：2022-01-25
界面接觸力學的實例教程
軟物質濕滑材料在受力剪切條件下通常會發生嚴重的彈性變形，這不僅對滑動界面實現低摩擦狀態不利，而且會引起材料力學疲勞甚至結構破壞，加速磨損的產生。在確保界面高度水化的條件下，如何抵制軟物質材料的彈性變形，實現潤滑、承載和抗磨的統一，對于認識界面接觸力學與潤滑行為的科學關系以及開發仿生智能軟體機器人具有重要意義。
自然界中，很多生物體的軟組織或器官進化出了具有力學模量動態可調控特征的先進機制，可實現界面接觸狀態的動態轉變，以滿足運動過程中對不同界面摩擦/潤滑量級的需求。以鯰魚為例，其表面通常展現出濕滑的特性（親水的天然大分子層），在我們意識里面應該很難抓住它。事實上，在鯰魚處于平靜狀態時，我們仍然能夠很容易地用手抓住它。然而，一旦鯰魚發生掙扎，其將很容易從我們手中掙脫掉；此時，我們會感觸到魚皮表面進入了一種硬化和超滑的狀態；這主要是因為鯰魚受到外界刺激時，肌肉系統應激發生了快速硬化，導致手掌和魚皮表面接觸點大幅度減小，摩擦力顯著降低。
最近，受鯰魚肌肉硬化觸發的潤滑轉變行為啟發，中科院蘭州化學物理研究所周峰/麻拴紅團隊，報告了一種新型的模量自適應潤滑水凝膠材料，該材料由幾十微米厚度的表面聚電解質親水潤滑層（模擬鯰魚濕滑的表皮）和具有熱觸發相變特征的底部水凝膠承載層（模擬鯰魚的肌肉單元）組成。科研人員通過球-盤往復滑動摩擦測試方式驗證了制備材料的智能潤滑調控行為。低溫條件下，材料處于軟質凝膠態（模量：~0.3 MPa），盡管潤滑層處于高度水化狀態，滑動剪切仍然會引起材料的嚴重彈性畸變，此時摩擦對偶與材料表面接觸充分，使得界面摩擦系數較大（μ~0.37）。
展開 結果和結論
樣本表面無明顯變形、壓痕與裂紋，夾持處果肉室溫靜置 24 h 后無明顯的顏色變化和傷痕，最大夾持力遠小于成熟番木瓜橫徑方向受壓彈性變形階段壓力極限值；質量和摘取扭轉力矩與橫徑、縱徑、果柄長度、果柄扭斷直徑有密切依存關系，質量多元線性回歸達極顯著水平，扭轉力矩多元線性回歸達顯著水平；依據接觸力學模型和回歸模型計算的理論夾持力與測量夾持力對比，測量夾持力均高于理論夾持力，兩者最大偏差小于20%，兩者在趨勢上具有較好一致性。摘取方案能穩定無損傷摘取番木瓜，摘取接觸力學模型具有正確性與實用性，可為番木瓜摘取末端執行機構設計與力度控制提供依據。
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展開 同樣可以看出：模具網格大小對板料―凹模圓角區界面接觸壓力計算精度存在顯著的影響。網格劃分越小，精度越高，且呈現出隨著模具網格變大界面接觸壓力值也隨之減小的規律。
上述研究表明：凹模和板料網格大小都對板料―凹模圓角區界面接觸壓力有顯著影響，為此，在用工藝仿真結果預測模具表面磨損量時，應該合理選擇凹模和板料網格尺寸。基于正交試驗方法，可以獲得的網格尺寸對板料―凹模圓角區界面接觸壓力有影響，如圖5所示，可以用于補償不同板料和模具網格尺寸條件下界面接觸壓力計算偏差。
圖4 模具網格大小對接觸壓力的影響
圖5 網格大小對接觸壓力的影響
積分點個數的影響
圖6是分別采用5、7、9個積分點條件下界面接觸壓力分布演化情況。從圖中我們可以看出：三種情況下板料―凹模圓角區界面接觸壓力仿真結果相差無幾，說明積分點個數對于界面接觸壓力仿真的精度幾乎沒有影響，缺省值5得到的仿真結果就已經可以保證足夠的精度，這個積分點數值也是沖壓工藝過程仿真中的缺省值。這是因為積分點個數是殼單元厚度方向的積分，可指定為任意奇數，默認數值為5。對于性質均勻的殼單元，5個截面積分點已經足夠處理大多數非線性問題了。因此，工程設計中可以不必考慮積分點這一參數，默認值5就已經能達到很好的仿真效果。
圖6 厚向積分點對界面接觸壓力的影響
虛擬速度的影響
在Dynaform中，分別采用2000mm/s、3000mm/s、4000mm/s、5000mm/s的虛擬沖壓速度進行工藝過程數值計算，得到的板料―凹模圓角區界面接觸壓力如圖7所示。從圖7中可以看出：仿真中虛擬沖壓速度對板料―凹模圓角區界面接觸壓力沒有顯著的影響。這主要是由于在Dynaform仿真中，板料沒有采用與相關材料本構模型和熱力耦合沖壓過程數值仿真模型。
展開 1 引言
接觸－碰撞問題屬于最困難的非線性問題之一，因為在接觸－碰撞問題中的響應是不平
滑的。當發生碰撞時，垂直于接觸界面的速度是瞬時不連續的。對于Coulcomb 摩擦模型，
當出現粘性滑移行為時，沿界面的切向速度也是不連續的。接觸－碰撞問題的這些特點給離
散方程的時間積分帶來明顯的困難。因此，方法和算法的適當選擇對于數值分析的成功是至
關重要的。
雖然通用商業程序LS-DYNA 提供了大量的接觸類型，可以對絕大多數接觸界面進行合
理的模擬，但用戶在具體的工程問題中，面臨接觸類型的選擇及棘手的接觸參數控制等問題。
基于以上，本文對LS-DYNA 中的接觸-碰撞算法作了簡要的闡述，對接觸類型作了詳
盡的總結歸納，并對接觸界面的模擬提出了一些建議。
2 基本概念
基本概念：“slave”、“master”、“segment”。
在絕大多數的接觸類型中，檢查slave nodes 是否與master segment 產生相互作用(穿透
或滑動，在Tied Contacts 中slave 限定在主面上滑動)。因此從節點的連接方式（或從面的
網格單元形式）一般并不太重要。
非對稱接觸算法中主、從定義的一般原則：
1. 粗網格表面定義為主面，細網格表面為從面；
2. 主、從面相關材料剛度相差懸殊，材料剛度大的一面為主面。
3. 平直或凹面為主面，凸面為從面。
有一點值得注意的是，如有剛體包含在接觸界面中，剛體的網格也必須適當，不可過粗。
展開 1 引言
接觸－碰撞問題屬于最困難的非線性問題之一，因為在接觸－碰撞問題中的響應是不平滑的。當發生碰撞時，垂直于接觸界面的速度是瞬時不連續的。對于Coulcomb摩擦模型，當出現粘性滑移行為時，沿界面的切向速度也是不連續的。接觸－碰撞問題的這些特點給離散方程的時間積分帶來明顯的困難。因此，方法和算法的適當選擇對于數值分析的成功是至關重要的。
雖然通用商業程序LS-DYNA提供了大量的接觸類型，可以對絕大多數接觸界面進行合理的模擬，但在具體的工程問題中，面臨接觸類型的選擇及棘手的接觸參數控制等問題。
基于以上，本文對LS-DYNA中的接觸-碰撞算法作了簡要的闡述，對接觸類型作了詳盡的總結歸納，并對接觸界面的模擬提出了一些建議。
2 基本概念
基本概念：“slave”、“master”、“segment”。
在絕大多數的接觸類型中，檢查slave nodes是否與master segment產生相互作用(穿透或滑動，在Tied Contacts 中slave限定在主面上滑動)。因此從節點的連接方式（或從面的網格單元形式）一般并不太重要。
非對稱接觸算法中主、從定義的一般原則：
粗網格表面定義為主面，細網格表面為從面；
主、從面相關材料剛度相差懸殊，材料剛度大的一面為主面。
平直或凹面為主面，凸面為從面。
有一點值得注意的是，如有剛體包含在接觸界面中，剛體的網格也必須適當，不可過粗。
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缺點：計算時間較長，計算成本高；不適用于接觸分析，接觸問題中接觸界面的復雜力學行為難以用該單元準確模擬；對于不可壓縮材料（如金屬）的彈塑性分析，易產生體積自鎖；當單元發生扭曲或彎曲應力存在梯度時，可能出現自鎖問題。
使用注意事項：
不適用于接觸分析或存在大變形的場景。
在彈塑性分析中，避免用于不可壓縮材料，否則易發生體積自鎖。
由于高強鋼沖壓會帶來嚴重的模具磨損，因此，在成形模具設計階段需要進行模具磨損評估。為了揭示成形工藝仿真參數選擇對板料—模具界面接觸壓力技術精度的影響，本文基于Dynaform軟件，參數化研究了有限元單元尺寸、積分點個數和沖壓速度對仿真結果的影響。研究結果表明：對比于積分點個數和沖壓速度，板料網絡和模具網絡更明顯地影響著仿真結果；而積分點個數和沖壓速度帶來的波動范圍很小。
與普通鋼板相比，先進高強鋼板沖壓時會引起更大的板料
基于ABAQUS自然髖關節步態下接觸力學仿真模型
軟件版本：ABAQUS2019
模型運動條件：髖關節內旋運動
基于ABAQUS自然膝關節步態下接觸力學仿真模型
軟件版本：ABAQUS2019
模型運動條件：膝關節屈曲運動
基于ABAQUS的人工髖關節置換假體接觸力學仿真模型
軟件版本：ABAQUS2019
模型：依據論文尺寸建立
模型運動條件：ISO 14242-1 2014(三個方向的轉動曲線和豎直方向的力受力曲線)
分享2本比較經典和介紹很詳細的教材：計算接觸力學，非線性瞬態動力學，非常值得推薦一看。
Wriggers - 2006 - Computational contact mechanics.pdf
Wu 和 Gu - 2012 - Introduction to the Explicit Finite Element Method.pdf
Boulbes - 2020 - Troubleshooting
研究背景
番木瓜 Carica papaya 生長于熱帶亞熱帶地區，被世界衛生組織列為最有營養價值的十大水果之一，有“嶺南果王”的美譽，是中國珠三角地區具有較高經濟價值的優稀水果。目前國內外尚無番木瓜自動化采收裝備，國內小型果園主要借助梯子或長柄簡易采收器采收，
在微納米尺度下，材料的表面形貌和表面相互作用極大地影響了材料的吸附接觸行為，發展吸附接觸力學理論對生物力學、微納米機電和原子力顯微鏡等眾多領域都具有重要的基礎意義。近期，中國科學技術大學工程科學學院、中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室鄭志軍研究組在粗糙表面的彈性吸附接觸力學方面取得新進展。他們發現表面粗糙度可以改變接觸界面的強度和吸附模式，并揭示了界面增強/減弱和吸附模式轉變的力學機理
本期是ANSYS Mechanical 2022 功能更新之單元、接觸、斷裂力學、并行計算。
文末領取學習資料
下面我們看看具體的更新內容：
一、單元部分
增強單元性能加強
面增強單元的彎曲剛度
使用單軸剛度單元進行反向求解
耦合單元的增強
運動副單元增強
二、接觸部分
軟質凝膠態（左）和硬質玻璃態（右）下界面接觸力學行為
通過對滑動界面原位加熱和冷卻，可以實現摩擦系數的動態可逆調控，且這種可切換的潤滑行為在寬載荷范圍內始終是有效的；特別是，研究人員發現隨著法向載荷的增大，這種典型的潤滑調控行為更加的明顯，界面最大接觸應力甚至可達~7 MPa。
