接触分析03摩擦

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1、摩擦摩擦第四章第四章Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-2摩擦摩擦章节预览章节预览本章我们考虑本章我们考虑ANSYS中是如何模拟摩擦的中是如何模拟摩擦的.包括以下几个主题包括以下几个主题.A.什么是摩擦什么是摩擦?B.弹性 Coulomb 模型C.摩擦系数摩擦系数D.定义参数定义参数E.一些特殊的考虑一些特殊的考虑Advanced Contact&FastenersAdvanced Con

2、tact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-3摩擦摩擦A.什么是摩擦什么是摩擦?两个接触体的切向滑动可能是无摩擦的，但也可能需要考虑摩擦两个接触体的切向滑动可能是无摩擦的，但也可能需要考虑摩擦.无摩擦时两物体相对滑动而没有任何阻力无摩擦时两物体相对滑动而没有任何阻力.存在摩擦时，两物体间会产生剪应力存在摩擦时，两物体间会产生剪应力.Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&Fa

3、stenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-4摩擦消耗能量摩擦消耗能量,因此是与路径相关的行为因此是与路径相关的行为.载荷的加载方式应该和实际情况相同载荷的加载方式应该和实际情况相同.时间步越小越精确时间步越小越精确.注意，和塑性分析不同，自动时间步长不考虑摩擦响应的增加注意，和塑性分析不同，自动时间步长不考虑摩擦响应的增加.精确的时间步精确的时间步真实路径真实路径较粗糙的时间步较粗糙的时间步AB摩擦摩擦.什么是摩擦什么是摩擦?Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdv

4、anced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-5摩擦是一种复杂的物理现象，它是以下参数的函数摩擦是一种复杂的物理现象，它是以下参数的函数:接触材料接触材料(包括润滑剂包括润滑剂).表面粗糙度表面粗糙度.温度温度.摩擦物体间的相对速度摩擦物体间的相对速度.摩擦中包括的复杂原理只能在数值上取得近似解摩擦中包括的复杂原理只能在数值上取得近似解.实际上，即使在一个十分简单的摩擦力试验中施加固定的压力，其位实际上，即使在一个十分简单的摩擦力试验中施加固定的压力，其位移力响应曲线也十分的不规则移力响应曲线也十分的不规则

5、:Fu摩擦摩擦.什么是摩擦什么是摩擦?Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-6在在ANSYS中中,使用使用Coulomb模型施加摩擦力模型施加摩擦力,并考虑了剪切摩擦力并考虑了剪切摩擦力和粘合力效应和粘合力效应.Coulomb 法则要满足如下关系式法则要满足如下关系式:其中其中m m 为摩擦系数为摩擦系数.如果如果FT 超出的话超出的话,两个物体会产生相对滑动两个物体会产生相对滑动.摩擦摩擦

6、B.Coulomb 模型模型normaltangentialFFmAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-7弹性弹性 Coulomb 模型模型:允许粘合和滑移允许粘合和滑移两物体都存在反向剪切力（两物体都存在反向剪切力（TAU）粘合条件粘合条件:Ft m m Fn 或或 TAU TAUMAX其中其中:TAU 为剪应力为剪应力 TAUMAX缺省值为缺省值为1e20FnFtm Fn摩擦摩擦.Cou

7、lomb模型模型Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-8弹性弹性 Coulomb 模型模型:允许粘合和滑移允许粘合和滑移一些单元使用实常数来定义一些单元使用实常数来定义TAUMAX.|m mpTAUMAXTAUMAX 上限值为上限值为:3y y 是接触处材料的是接触处材料的von Mises 屈屈服应力服应力.TAUMAX最好使用经验值最好使用经验值.摩擦摩擦.Coulomb模型模型Adva

8、nced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-9弹性弹性 Coulomb 模型模型:允许粘合和滑移允许粘合和滑移 粘合区域被视作弹性处理，切向刚度为粘合区域被视作弹性处理，切向刚度为KT切向刚度和法向刚度类似切向刚度和法向刚度类似：刚度越大精度越高：刚度越大精度越高,刚度越小则越容易收敛刚度越小则越容易收敛.用户可指定用户可指定KT的值，或使用程序指定的值的值，或使用程序指定的值（KT 1%KN).FTuK

9、Tm mFN摩擦摩擦.Coulomb模型模型Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-10刚性刚性Coulomb 模型模型:接触无接触无“粘合粘合”该模型仅适合模型在某固定方向连续该模型仅适合模型在某固定方向连续滑动时滑动时.例如使用研磨轮对部件进行成型例如使用研磨轮对部件进行成型加工时加工时.u=0处的不连续等效于无穷大的刚度处的不连续等效于无穷大的刚度值值.如果滑动停止或方向改变，则会出如果

10、滑动停止或方向改变，则会出现收敛困难现收敛困难.FTum mFN仅允许滑动摩擦仅允许滑动摩擦.摩擦摩擦.Coulomb模型模型Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-11在在Coulomb模型中，随着法向压力的增大，传递的最大剪应力也模型中，随着法向压力的增大，传递的最大剪应力也随之增大随之增大.FTup1p2压力增大使得滑移力也增大压力增大使得滑移力也增大摩擦摩擦.Coulomb模型模型Ad

11、vanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-12当然，接触面之间的剪切屈服限制了其剪应力的大小当然，接触面之间的剪切屈服限制了其剪应力的大小.橡胶的剪切屈服使出现打橡胶的剪切屈服使出现打滑并且这也限制了轮胎滑并且这也限制了轮胎和道路之间可以传递的摩和道路之间可以传递的摩擦力擦力.摩擦摩擦.Coulomb模型模型Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&Fas

12、tenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-13在某些情况下，接触表面粘合在一起，即使没有法向压力的作用也在某些情况下，接触表面粘合在一起，即使没有法向压力的作用也能提供滑移阻力能提供滑移阻力.ANSYS中的一些单元能够模拟这种现象（使用粘合力中的一些单元能够模拟这种现象（使用粘合力COHE).|m mpTAUMAXCOHE摩擦摩擦.Coulomb模型模型Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contac

13、t&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-14摩擦系数摩擦系数:对于所有的对于所有的 ANSYS 接触单元接触单元,摩擦系数摩擦系数 m m通过材料属性通过材料属性MU来指定来指定.（缺省时（缺省时 m m=0）滑动时的滑动时的摩擦系数摩擦系数 m m比静止时的小比静止时的小.滑动时滑动时:动摩擦系数动摩擦系数.静止时静止时:静摩擦系数静摩擦系数.面面单元面面单元(171-174)和点面单元和点面单元(175)可以指定一个和表面滑动速可以指定一个和表面滑动速度相关的动摩擦系数度相关的动摩擦系数.点点接触单元（点点接触单元（17

14、8）只限于小位移，因此只支持静摩擦系数）只限于小位移，因此只支持静摩擦系数.摩擦摩擦C.摩擦系数摩擦系数Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-15对于对于171-175 单元单元,定义动摩擦系数的方程如下定义动摩擦系数的方程如下:MU=MUK*(1+(FACT-1)exp(-dc*vtfs/deltaT)其中其中:MUK =动摩擦系数动摩擦系数 (用户定义用户定义)FACT=MUS/MUK

15、(用户定义用户定义)MUS =静摩擦系数静摩擦系数dc =衰减系数衰减系数 (用户定义用户定义)vtfs/deltaT=表面间滑动的相对速度表面间滑动的相对速度缺省值缺省值:FACT=1,MUS=MUK=0dc=0摩擦摩擦.摩擦系数摩擦系数Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-16Friction coefficient vs velocity0.0000.0200.0400.0600.08

16、00.1000.1200.1400.1600.002.004.006.008.0010.00velocityfriction coefficientFriction coefficientvs velocity动摩擦系数和表面速度相关，这使得静动态之间平滑过度动摩擦系数和表面速度相关，这使得静动态之间平滑过度摩擦摩擦.摩擦系数摩擦系数Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-17面面接触和点面接

17、触分析的摩擦设置可在接触属性对话框的摩擦面面接触和点面接触分析的摩擦设置可在接触属性对话框的摩擦菜单下定义菜单下定义.点点接触单元通过材料属性来定义其静摩擦系数点点接触单元通过材料属性来定义其静摩擦系数MU.摩擦摩擦D.定义参数定义参数Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-18考虑摩擦的接触问题会倒置不对称的刚度矩阵考虑摩擦的接触问题会倒置不对称的刚度矩阵.例如一个二维间隙单元滑动时有如下的

18、非对称单元矩阵例如一个二维间隙单元滑动时有如下的非对称单元矩阵:然而，使用非对称求解器比对称求解器更加费时然而，使用非对称求解器比对称求解器更加费时.因此，因此，ANSYS使用对称化算法，这样可使得包括摩擦的接触问题也使使用对称化算法，这样可使得包括摩擦的接触问题也使用对称矩阵进行求解用对称矩阵进行求解摩擦摩擦E.一些特殊的考虑一些特殊的考虑nnnnnnnncontactkkkkkkkkK00000000mmmmAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining Manua

19、lMay 16,2005Inventory#0022564-19摩擦摩擦.一些特殊的考虑一些特殊的考虑如果收敛较慢的话，可使用非对称选项如果收敛较慢的话，可使用非对称选项(NROPT,UNSYM)在这种情况下可使用稀疏矩阵求解器（推荐）或者波前求解器，两者在这种情况下可使用稀疏矩阵求解器（推荐）或者波前求解器，两者都支持非对称矩阵都支持非对称矩阵 用户应该牢记：使用非对称求解器进行求解的时间比对称求解器用用户应该牢记：使用非对称求解器进行求解的时间比对称求解器用的时间要多的多的时间要多的多 PCG 求解器不支持非对称矩阵求解器不支持非对称矩阵Advanced Contact&Fasteners

20、Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-20当使用点面接触单元当使用点面接触单元(175)进行有摩擦的接触分析时进行有摩擦的接触分析时,接触法向的定义尤接触法向的定义尤其重要其重要.接触单元接触单元rsnrsn目标单元目标单元 KEYOPT(4)=1:使用接触面法向使用接触面法向.摩擦组件直接在接触节点上创摩擦组件直接在接触节点上创建建参考坐标系由相邻节点创建参考坐标系由相邻节点创建.nsr 目标面目标面接触面接触面IJKEYOPT(4)=0:

21、使用目标面法向使用目标面法向三维分析中摩擦滑移的方向很难确三维分析中摩擦滑移的方向很难确定定.摩擦摩擦.一些特殊的考虑一些特殊的考虑Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-21ANSYS中中17x系列接触单元摩擦选项设置的小结系列接触单元摩擦选项设置的小结Surf-to-Surf (CONTA171-174)Node-to-Surf (CONTA175)Node-to-Node(CONTA17

22、8)General FrictionyesyesyesDynamic Friction Formulayes;mu=f(muk,FACT,dc)yes;mu=f(muk,FACT,dc)noTAUMAX with FrictionyesyesnoLarge Strain(NLGEOM,ON)yesyesnoCohesionyesyesnoUnsymmetric MatrixyesyesyesAuto or User Specified KTyes;FKT=f(MU,KN)yes;FKT=f(MU,KN)yes;FKS=f(MU,FKN)摩擦摩擦 小结小结Advanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersAdvanced Contact&FastenersTraining ManualMay 16,2005Inventory#0022564-22请参考请参考Workshop中的相关章节中的相关章节:W4A.有摩擦接触有摩擦接触(固定摩擦系数固定摩擦系数)W4B.使用使用 TAUMAX W4C.有摩擦接触有摩擦接触(动态摩擦系数动态摩擦系数)摩擦摩擦 Workshops