界面接觸力學的案例
：界面接觸力學與潤滑行為的科學詮釋 - 仿生自適應潤滑調控材料
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 番木瓜摘取的接觸力學模型構建與試驗 附接觸力學文檔下載
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 沖壓工藝仿真中界面接觸壓力計算精度研究
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 LS-DYNA 中的接觸界面模擬(1)
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 
參賽：LS-DYNA中的接觸界面模擬
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。
展開 基于ANSYS經典界面的接觸分析例子
從下圖進入查看應力結果
在彈出的對話框中選擇二查看Von Mises應力
【OK】后主窗口顯示如下圖
可見，在接觸處應力最大，越往外層，應力越來越小。這與實際情況是一致的。
仍舊從這里進入，以查看接觸處的情況
可以看到，紅色框內提供一系列選項，查看接觸狀態，滲透情況，接觸壓力，摩擦應力，總應力，滑動距離，間隙距離等等。
下面是接觸處的滲透圖
可見，最大滲透量是0.003226.
下圖是接觸壓力
最后，存盤為file.db。下一篇會接著恢復該數據庫，做下一個拔出分析。
LS-DYNA 中的接觸界面模擬(2)
為輸出RCFORC 必須在k 文件
中包含*Database_FCFORC，同時必須激活接觸控制中的參數SPR、MPR（Card 1）。注意：
對于單面接觸， RCFORC 無效。此時要輸出接觸節點力， 必須通過
*Contact_Force_Transducer_Penalty 定義力傳感器（force transducers）。力傳感器僅用來輸出
接觸力，對數值分析結果毫無影響。
接觸面的能量通過*Database_Sleout 輸出到ASCII 文件SLEOUT 中。該文件對于分析每
個接觸定義的可靠性是很有幫助的。
在某些情況下，有時需要接觸界面的可視化（如應力云圖等），這時必須通過以下控制
輸出二進制的接觸界面文件：
1) *Database_Binary_Intfor；
2) 設置接觸面的輸出標志SPR、MPR；
3) 在執行計算任務時，包含選項“s=filename”。
展開 模具強度分析示例#Lsdyna成形分析+界面力接觸力提取 ￥60
模具強度分析示例#Lsdyna成形分析+界面力接觸力提取
中國科大吳恒安教授/俞書宏院士《ACS Nano》：在納米纖維素的濕度界面力學研究中取得重要進展
然而，纖維素的應用功能穩定性通常受使役環境的制約，其中，濕度對于纖維素而言無疑是一個非常敏感的問題，因不可控變形和力學性能下降而通常被認為是纖維素材料的一個不利因素。由于缺乏對納米纖維素界面力學行為的深入認識，保持纖維素基材料在不同相對濕度下的預期性能具有很大挑戰。
近期，中國科學技術大學中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室吳恒安教授團隊和合肥微尺度物質科學國家研究中心俞書宏院士團隊深入合作，從多尺度力學出發，結合實驗驗證，揭示了納米纖維素中濕度界面變形的微觀力學機理，提出了通過濕度界面調控納米纖維素材料宏觀力學性能的新方法。相關研究論文以“Strengthening and Toughening Hierarchical Nanocellulose via Humidity-Mediated Interface”為題在線發表于《ACS Nano》。
圖1. 濕度界面調控多級納米纖維素強韌化的微觀力學機制
研究人員首先通過第一性原理計算闡明了氫鍵差異，發現水分子和纖維素分子間的橋接氫鍵與纖維素納米晶（CNC）界面氫鍵在強度和密度上有明顯差異，水分子作為插層介質可以極大地影響納米纖維素在原子尺度的界面力學行為。隨后采用分子動力學模擬建立了帶有水分子界面的多級納米纖維素模型（圖2a），通過單軸拉伸研究其力學行為和變形模式。模擬發現帶有濕度界面的多級納米纖維素表現出明顯的應變硬化效應，即應力-應變曲線在線彈性階段后的鋸齒狀第二階段（圖2b），該階段可以平均為斜率稍低的線性段，使得峰值應力有一定幅度的增加而斷裂應變大幅度增加。初始線彈性階段主要是纖維素納米晶本身的拉伸，而越過拐點后的第二階段是界面滑移導致。
展開 接觸力學徐秉業譯下載
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。相關研究成果以“Adhesion of elastic wavy surfaces: Interface strengthening/weakening and mode transition mechanisms”為題發表在固體力學領域旗艦期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids (JMPS 2021;151:104402)上。
自然界中許多現象與粗糙表面吸附接觸問題密切相關，如昆蟲吸附在物體表面、壁虎在墻壁上行走、細胞吸附探針或其它細胞、噬菌體侵染大腸桿菌。理想光滑表面并不存在，實際表面都是粗糙的，表面粗糙度對材料吸附行為的影響存在著持久性爭議，力學機理尚不明晰。2007年，美國布朗大學Guduru教授及其合作者將經典的JKR理論推廣用于研究波浪形粗糙表面的吸附接觸問題（后來被稱為Guduru問題，圖1），認為表面粗糙度使材料界面得到增強，并指出其機理為表面粗糙度引起了載荷-位移曲線的振蕩，增大了分離界面所需要的拔出力。然而，Guduru的結果導致拔出力與粗糙度正相關的悖論，無法解釋那些表面粗糙度減弱吸附的實驗現象。
展開 ANSYS-球軸承-接觸力學
根據接觸力學理論并考慮軸承的結構受載特點可知，軸承為軸對稱模型，因此建模時只取該滾子的1/6有限元模型即可.，取計算單元solid brick 8node185,彈性模量為20.6e5，泊松比為0.3，摩擦系數為0.3。
圖1 有限元幾何模型的建立
三、網格劃分
對于軸承分析問題，采用Structural Solid 中的Brick 8node 185 單元劃分網格。鋼珠網格劃分采用映射劃分原則，其余部分采用掃描劃分，劃分為網格的模型如下圖。
圖2 劃分網格后的模型
由于生成的網格中，軸承滾珠和內外圈之間的網格是連續的，也就是說兩個部件之間是剛性地連接在一起的，與實際不符，所以需用耦合來定義相互之間的關系。耦合后的網格模型如下：
圖3 創建耦合后的模型
四、模型接觸設置和邊界條件
由于軸承內圈和軸面接觸，以平面為接觸面，選取相應的接觸單元，利用接觸向導建立surface-to-surface接觸。接觸模型如圖4所示：
圖4 對模型創建接觸
五、施加約束
根據滾動軸承的結構和在總體坐標下對模型邊界約束。軸承外圈外表面完全固定，對切割部分的幾個面上施加對稱位移約束，由于軸承和軸接觸，所以在柱坐標下施加軸Y方向的位移約束。
圖5 對模型加入Y向約束
六、計算結果及分析
對所建立的模型進行非線性分析,計算結果收斂。求解得到軸承過盈裝配時應力分布圖,圖3-6為過盈裝配過程中結構變形圖、圖3-7為柱坐標系下Y方向應力等值線圖、圖3-8為為直角坐標系的VonMises應力分布圖,圖3-9為接觸應力等值線圖 。
展開 
原位制備MoO3薄膜提高銅鋅錫硫硒太陽能電池背界面接觸性能
研究發現，MoO3厚度隨著溫度的升高而增大，其中350°C形成的MoO3厚度最為合適，既能夠有效降低Mo(S,Se)2的厚度，又不影響吸收層和鉬電極接觸，器件最高效率達到10.58%。這種方法不會引入其他雜質元素，操作簡單方便。
圖1 不同溫度下退火的Mo層厚度
本工作近期發表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9381-1。
水稻谷粒與脫粒元件碰撞過程的接觸力學分析
針對中國水稻在機械化收獲過程中稻谷損傷嚴重，脫粒裝置的設計仍以經驗為主等現狀，從碰撞的角度，建立了谷粒與脫粒元件接觸過程的位移量和最大壓力分布方程，并以釘齒脫粒滾筒為例，求得了稻谷產生應力裂紋或破碎時稻谷與脫粒元件碰撞的臨界相對速度，室內臺架試驗驗證了理論分析的正確性，為深入研究水稻谷粒與脫粒元件的相互作用、稻谷的脫粒損傷機理以及脫粒裝置的設計提供了理論依據
水稻谷粒與脫粒元件碰撞過程的接觸力學分析.pdf
《預應力結構錨固-接觸力學與工程應用》
前言
上篇 錨固－接觸的理論與分析方法
第1章 工程結構中的錨固－接觸問題
1.1 預應力鋼筋混凝土結構
1.2 預應力混凝土錨具
1.3 錨固－接觸力學的應用背景
1.4 預應力巖土錨固中的接觸問題
1.5 本書的閱讀指導
第2章 彈性錨固－接觸的力學分析
2.1 Boussinesq問題
2.2 赫茲接觸問題
2.3 剛性平沖頭的壓入
2.4 彈性基礎接觸模型
2.5 巖土錨固中的接觸力學模型
2.6 小結
第3章 強度失效判據與塑性力學基礎
3.1 經典屈服準則回顧
3.2 塑性力學基礎
3.3 小結
第4章 錨固－接觸的非線性有限元
4.1 引言
4.2 接觸界面方程
4.3 摩擦模型
4.4 弱形式
4.5 有限元離散
4.6 錨固－接觸的顯式方法
第5章 錨固－接觸的有限元算例
5.1 ABAQUS接觸功能概述
5.2 定義接觸面
5.3 接觸面間的相互作用
5.4 在ABAQUS/Standard中定義接觸
5.5 剛性表面的模擬問題
5.6 ABAQUS/Standard例題：凹槽成型
5.7 在ABAQUS/Explicit中定義接觸
5.8 在/Explicit建模中需要考慮的問題
5.9 ABAQUS/Explicit例題：電路板跌落試驗
5.10 ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit的比較
5.11 小結
下篇 工程分析與應用
第6章 預應力混凝土錨具模型分析
6.1 錨固單元理論分析
6.2 錨固單元有限元分析
6.3 錨環有限元計算
6.4 小結
第7章 混凝土錨具下結構應力分析
7.1 錨下結構的理論分析
7.2 錨下結構的有限元分析
7.3 錨下結構的工程實例
第8章 錨具組件靜/動載試驗
8.1 試驗概述
8.2 錨具組件靜載試驗
8.3 錨具組件動載試驗
8.4 載荷傳遞試驗
第9章 預應力混凝土錨固工程設計實例
展開 基于ABAQUS自然膝關節步態下接觸力學仿真模型
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
