接触分析03_摩擦

摩擦第四章AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-2摩擦章节预览•本章我们考虑ANSYS中是如何模拟摩擦的.•包括以下几个主题.A.什么是摩擦?B.弹性Coulomb模型C.摩擦系数D.定义参数E.一些特殊的考虑AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-3摩擦A.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.–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.AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-4•摩擦消耗能量,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.–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.精确的时间步真实路径较粗糙的时间步AB摩擦...什么是摩擦?AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-5•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(包括润滑剂).–表面粗糙度.–温度.–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.–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:Fu摩擦...什么是摩擦?AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-6•在ANSYS中,使用Coulomb模型施加摩擦力,并考虑了剪切摩擦力和粘合力效应.•Coulomb法则要满足如下关系式:–其中m为摩擦系数.•如果FT超出的话,两个物体会产生相对滑动.摩擦B.Coulomb模型normaltangentialFFmAdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-7弹性Coulomb模型:允许粘合和滑移•两物体都存在反向剪切力（TAU）粘合条件:FtmFn滑移条件:FtmFn或TAUTAUMAX其中:TAU为剪应力TAUMAX缺省值为1e20FnFtmFn摩擦...Coulomb模型AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-8弹性Coulomb模型:允许粘合和滑移•一些单元使用实常数来定义TAUMAX.||mpTAUMAXTAUMAX上限值为:3yy是接触处材料的vonMises屈服应力.TAUMAX最好使用经验值.摩擦...Coulomb模型AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-9弹性Coulomb模型:允许粘合和滑移–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：刚度越大精度越高,刚度越小则越容易收敛.•用户可指定KT的值，或使用程序指定的值（KT＝1%KN).FTuKTmFN摩擦...Coulomb模型AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-10刚性Coulomb模型:接触无“粘合”–该模型仅适合模型在某固定方向连续滑动时.•例如使用研磨轮对部件进行成型加工时.–u=0处的不连续等效于无穷大的刚度值.如果滑动停止或方向改变，则会出现收敛困难.FTumFN仅允许滑动摩擦.摩擦...Coulomb模型AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-11•在Coulomb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.FTup1p2压力增大使得滑移力也增大摩擦...Coulomb模型AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-12•当然，接触面之间的剪切屈服限制了其剪应力的变大.橡胶的剪切屈服使出现打滑－并且这也限制了轮胎和道路之间可以传递的摩擦力.摩擦...Coulomb模型AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#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COHE).||mpTAUMAXCOHE摩擦...Coulomb模型AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-14摩擦系数:•对于所有的ANSYS接触单元,摩擦系数m通过材料属性MU来指定.（缺省时m=0）•滑动时的摩擦系数m比静止时的小.–滑动时:动摩擦系数.–静止时:静摩擦系数.•面－面单元(171-174)和点－面单元(175)可以指定一个和表面滑动速度相关的动摩擦系数.•点－点接触单元（178）只限于小位移，因此只支持静摩擦系数.摩擦C.摩擦系数AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-15•对于171-175单元,定义动摩擦系数的方程如下:MU=MUK*(1+(FACT-1)exp(-dc*vtfs/deltaT))其中:MUK=动摩擦系数(用户定义)FACT=MUS/MUK(用户定义)MUS=静摩擦系数dc=衰减系数(用户定义)vtfs/deltaT=表面间滑动的相对速度缺省值:FACT=1,MUS=MUK=0dc=0摩擦...摩擦系数AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-16Frictioncoefficientvsvelocity0.0000.0200.0400.0600.0800.1000.1200.1400.1600.002.004.006.008.0010.00velocityfrictioncoefficientFrictioncoefficientvsvelocity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...摩擦系数AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-17•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.•点－点接触单元通过材料属性来定义其静摩擦系数MU.摩擦D.定义参数AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-18•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.–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用对称矩阵进行求解摩擦E.一些特殊的考虑nnnnnnnncontactkkkkkkkkK00000000mmmmAdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-19摩擦...一些特殊的考虑•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的时间要多的多•PCG求解器不支持非对称矩阵AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-20•当使用点－面接触单元(175)进行有摩擦的接触分析时,接触法向的定义尤其重要.接触单元rsnrsn目标单元KEYOPT(4)=1:使用接触面法向.•摩擦组件直接在接触节点上创建•参考坐标系由相邻节点创建.nsr目标面接触面IJKEYOPT(4)=0:使用目标面法向•三维分析中摩擦滑移的方向很难确定.摩擦...一些特殊的考虑AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-21ANSYS中17x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(CONTA178)GeneralFrictionyesyesyesDynamicFrictionFormulayes;mu=f(muk,FACT,dc)yes;mu=f(muk,FACT,dc)noTAUMAXwithFrictionyesyesnoLargeStrain(NLGEOM,ON)yesyesnoCohesionyesyesnoUnsymmetricMatrixyesyesyesAutoorUserSpecifiedKTyes;FKT=f(MU,KN)yes;FKT=f(MU,KN)yes;FKS=f(MU,FKN)摩擦…小结AdvancedContact&FastenersTrainingManualMay16,2005Inventory#0022564-22•请参考Workshop中的相关章节:–W4A.有摩擦接触(固定摩擦系数)–W4B.使用TAUMAX–W4C.有摩擦接触(动态摩擦系数)摩擦…Workshops