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基于中望结构仿真的摩擦接触分析

在工程中会遇到大量的接触问题,如齿轮的啮合、法兰连接、机电轴承接触、插头与插座、密封、板成型、冲击等。大部分接触是典型的非线性状态问题,它是一种高度非线性行为。

分析中,常常需要确定两个或多个相互接触物体的位移、接触区域的大小和接触面上的应力分布。

01

 接触的分类

为了满足不同的工程应用需求,中望结构仿真中接触分为绑定接触、摩擦接触、无摩擦接触、粗糙接触粘合接触。其中绑定接触是一种线性的接触关系,系统的刚度不会发生变化,其它类型的接触属于非线性行为。不同的接触类型可以模拟许多不同的特殊物理效应。

绑定接触:线性行为,目标面和接触面完全粘合在一起。

摩擦接触:非线性行为,支持法向接触的打开和关闭,以及切向粘结/滑移摩擦。

无摩擦接触:非线性行为,目标面和接触面从接触状态开始时就“系”在一起(但允许小量的滑移)。

粗糙接触:非线性行为,支持法向接触的打开和关闭,无滑移(和无穷大的摩擦系数类似)。

粘合接触:非线性行为,允许接触面和目标面相对滑动,但是不允许接触面与目标面存在法向移动。

02

 绑定和摩擦接触

在上述接触中,绑定接触和摩擦接触应用最为广泛,绑定接触在装配体的线性静力学、模态、传热、谐响应、响应谱以及随机振动中有着广泛的应用。摩擦接触在非线性分析中有广泛的应用,典型的应用场景如过盈配合、齿轮啮合、钣金冲压等。

摩擦接触关系具有以下的特性:
(1)接触的表面具有不会渗透的特性;
(2)接触可以传递法向压缩力和切向摩擦力;
(3)通常接触不传递法向拉伸力;
(4)接触允许物体之间自由分离和互相移动。

摩擦接触是状态改变非线性的,这意味着系统的刚度(抵抗变形的能力)取决于接触状态。当物体处于局部接触或分离状态时,系统的刚度会发生变化。接触的非线性特性使得接触问题的分析模拟变得复杂,需要采用特殊的数值算法来处理。

在物理上,接触体间不会相互渗透。为了确保在分析和计算过程中,接触体之间不会发生穿透现象,程序需要建立两表面间的相互关系,这一过程称为强制接触协调。

注:以上资料引用自微信公众号[一起CAE吧]

03

罚函数法

在中望结构仿真中,为了处理接触界面上的协调性,采用罚函数法的接触算法。罚函数法适用于各类型的非线性接触计算,它的原理是将零件之间的接触假设成两个节点之间通过弹簧连接,通过以下计算公式来求解两个接触面之间的接触压力:
注:以上资料引用自微信公众号[一起CAE吧]

罚函数法的计算精度依赖于接触刚度和穿透量的大小。而实际工程中,两个接触的零件表面是不会有穿透的,罚函数的处理方法是一种为增强收敛性而进行的数值近似方法。因此,穿透量越小,计算结果精度越高,但同时收敛性较差。

04

 应用案例

以下是一个下压半球的模型,半球和平板的材料参数:弹性模量2.0E11GPa,泊松比0.3,密度7800kg/m3。固定约束平板两端,在半球上表面施加垂直向下0.1mm的位移载荷,半球和平板的接触面设为摩擦接触,摩擦系数为0.1。

在中望结构仿真中,选择
非线性静力学模块,以下是定义摩擦接触的界面。接触类型选择(一般)接触,主接触面选择平板上表面,从接触面选择半球与平板接触的小面。勾选摩擦系数并输入0.1的系数,勾选球形检测区域并输入0.2mm,勾选用户自定义罚因子并输入0.1,其它参数保持默认。



仿真的等效应力云图如下,最大应力值为570MPa。

等效应变云图如下,最大值为0.0025。

0 条评论 A文章作者 M管理员
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