接触分析03_摩擦

May 16, 2005 Inventory #002256 4-14
摩擦 ...摩擦系数
对于 对于171-175 单元 定义动摩擦系数的方程如下 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: 其中 MUK = 动摩擦系数 (用户定义 用户定义) 用户定义 FACT = MUS/MUK (用户定义) (用户定义 用户定义) MUS = 静摩擦系数 dc = 衰减系数 (用户定义 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, dc = 0 MUS=MUK=0
摩擦
... Coulomb模型
模型: 弹性 Coulomb 模型 允许粘合和滑移
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
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.
|τ| τ
TAUMAX
TAUMAX 上限值为 上限值为:
σy
3
是接触处材料的von Mises 屈 σy 是接触处材料的
velocity
May 16, 2005 Inventory #002256 4-16
摩擦 D.定义参数
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
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 面接触和点－ 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MU. 点接触单元通过材料属性来定义其静摩擦系数
Training Manual
May 16, 2005 Inventory #002256 4-19
Advanced Contact & Fasteners
摩擦
...一些特殊的考虑
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
当使用点－ 进行有摩擦的接触分析时, 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. 其重要
Training Manual
May 16, 2005 Inventory #002256 4-15
Advanced Contact & Fasteners
摩擦 ...摩擦系数
动摩擦系数和表面速度相关， 动摩擦系数和表面速度相关，这使得静动态之间平滑过度
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
Friction coefficient vs velocity 0.160 0.140 friction coefficient 0.120 0.100 0.080 0.060 0.040 0.020 0.000
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00
Friction coefficient vs velocity
Advanced Contact & Fasteners
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， 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
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， 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COHE). 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
|τ| τ
TAUMAX COHE
May 16, 2005 Inventory #002256 4-18
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) 如果收敛较慢的话，可使用非对称选项
– 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， 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： 的时间要多的多 PCG 求解器不支持非对称矩阵
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
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.
May 16, 2005 Inventory #002256 4-12
摩擦
... Coulomb模型
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
p
May 16, 2005 Inventory #002256 4-13
摩擦 C.摩擦系数
摩擦系数: 摩擦系数
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
对于所有的 ANSYS 接触单元 摩擦系数 通过材料属性 接触单元, 通过材料属性MU来指定 . 来指定 （缺省时 = 0） ） 滑动时的摩擦系数 比静止时的小 滑动时的摩擦系数 比静止时的小.
摩擦
... Coulomb模型
刚性Coulomb 模型 模型: 刚性 接触无“粘合” 接触无“粘合”
– 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 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 如果滑动停止或方向改变， 值.如果滑动停止或方向改变，则会出 如果滑动停止或方向改变 现收敛困难. 现收敛困难
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
May 16, 2005 Inventory #002256 4-3
摩擦 ...什么是摩擦?
摩擦消耗能量 因此是与路径相关的行为 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 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.
May 16, 2005 Inventory #002256 4-2
摩擦 A. 什么是摩擦?
– 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
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
– 粘合区域被视作弹性处理，切向刚度为KT 粘合区域被视作弹性处理，切向刚度为
– 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 刚度越大精度越高, 刚度越小则越容易收敛. 用户可指定 T的值，或使用程序指定的值 （KT ＝ 1% KN). 用户可指定K 的值，
May 16, 2005 Inventory #002256 4-9
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
真实路径 精确的时间步
A 较粗糙的时间步 B – 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
May 16, 2005 Inventory #002256 4-4
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
仅允许滑动摩擦. 仅允许滑动摩擦
FN FT
u
May 16, 2005 Inventory #002256 4-10
摩擦
... Coulomb模型
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
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， 模型中 随着法向压力的增大， 随之增大. 随之增大
FT
压力增大使得滑移力也增大 p2 p1
u
May 16, 2005 Inventory #002256 4-11
摩擦
... Coulomb模型
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
– 滑动时 动摩擦系数 滑动时: 动摩擦系数. – 静止时: 静摩擦系数. 静止时: 静摩擦系数.
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（178）只限于小位移，因此只支持静摩擦系数 点接触单元（ ）只限于小位移，因此只支持静摩擦系数.
F
u
May 16, 2005 Inventory #002256 4-5
摩擦
B. Coulomb 模型
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
在ANSYS中, 使用 模型施加摩擦力, 中 使用Coulomb模型施加摩擦力 并考虑了剪切摩擦力 模型施加摩擦力 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:
Advanced Contact & Fasteners
Hale Waihona Puke Baidu
0 kn 0 k n [Kcontact ] = 0 kn 0 kn
0 0
kn 0 kn 0 kn
kn
– 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，ANSYS使用对称化算法，这样可使得包括摩擦的接触问题也使 因此， 使用对称化算法， 使用对称化算法 用对称矩阵进行求解
粘合条件: 粘合条件 Ft < Fn 滑移条件: 滑移条件 Ft > Fn 或 TAU > TAUMAX 其中: 其中 TAU 为剪应力
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
Fn Ft Fn
TAUMAX缺省值为 缺省值为1e20 缺省值为
May 16, 2005 Inventory #002256 4-7
摩擦 ...什么是摩擦?
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 (包括润滑剂 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
Training Manual
p
服应力. 服应力 TAUMAX最好使用经验值 最好使用经验值. 最好使用经验值
May 16, 2005 Inventory #002256 4-8
摩擦
... Coulomb模型
模型: 弹性 Coulomb 模型 允许粘合和滑移
FN FT KT u
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
第四章
摩擦
摩擦 章节预览
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. 本章我们考虑 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
Training Manual
Advanced Contact & Fasteners
A. 什么是摩擦 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
May 16, 2005 Inventory #002256 4-17
摩擦
E. 一些特殊的考虑
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:
Training Manual
Ftangential ≤ Fnormal
– 其中 为摩擦系数 其中 为摩擦系数.
如果 T 超出的话 两个物体会产生相对滑动 如果F 超出的话, 两个物体会产生相对滑动.
May 16, 2005 Inventory #002256 4-6
摩擦
... Coulomb模型
模型: 弹性 Coulomb 模型 允许粘合和滑移 两物体都存在反向剪切力（TAU） 两物体都存在反向剪切力（ ）