绑定、无摩擦与摩擦接触的对比分析 原创

概述：

接触是应力分析中的关键因素。选择正确类型的接触对应力分析的成功至关重要。本案例比较了使用不同类型接触的模拟结果:粘结接触、摩擦接触和无摩擦接触。结果强调了选择真实接触类型的重要性。

目标：

1、比较粘结、无摩擦和摩擦接触

2、理解选择正确接触类型的重要性

步骤：

对梁柱节点建模，考虑梁与柱之间的摩擦接触

1、打开Ansys Workbench，创建一个"静力结构"分析，检查单位。

2、导入几何图形(图1)。

图 1 螺栓螺纹模型的几何形状

对几何模型进行网格划分。建议在螺栓和孔洞周围进行网格加密，以提供足够的离散精度，准确刻画几何形状。采用线性单元，使总节点数低于学术版软件许可的限制。设置全局网格尺寸为 25 mm，对螺栓和节点区域采用局部网格尺寸 10 mm，对孔洞采用5 mm 的网格尺寸。网格划分后的模型示意图如图 2 所示。

图 2 网格模型的示意图

3、定义各部件之间的接触关系。软件会自动在相互邻近的部件之间设置绑定接触。将螺栓与孔之间的接触类型改为无摩擦接触，其余所有接触均设置为摩擦接触，摩擦系数取 0.2。本案例重点考察梁与柱之间的接触，并采用摩擦接触进行计算。螺栓预紧力会在梁与柱之间产生压力，而摩擦接触可阻止二者发生相对滑移（见图 3）。

图 3 梁与柱之间的摩擦接触

4、定义分析设置并施加边界条件。

设置两个分析步：

第一步，施加螺栓预紧力；

第二步，在梁的顶面施加竖向荷载。

边界条件示意图如图 4 所示。施加螺栓预紧力时需要建立局部坐标系，且z 轴需与螺栓轴线保持一致（见图 5）。

图 4 边界条件的示意图

图 5 螺栓预张分配的局部坐标系示意图

5、运行仿真并查看结果。提取总变形和等效应力云图等结果图表，同时生成节点局部区域的云图，用于对比节点刚度。

采用无摩擦接触方式对梁柱节点进行建模

6、开展梁与柱间为无摩擦接触的分析。在 Workbench 中复制该分析系统，并将其重命名为 “无摩擦接触”。在 Mechanical 中编辑模型，将梁与柱之间的接触改为无摩擦接触。重新运行仿真，并与摩擦接触工况下的结果进行对比。图 6 给出了节点区域的变形云图。可以看出，引入摩擦会减小梁的变形。图 7 通过绘制接触状态云图解释了图 6 中的差异。从图 7 中可以观察到：当接触类型为无摩擦接触时，梁表面与柱表面之间发生相对滑移；而当采用摩擦接触时，两个表面保持粘结贴合。

             （a） 摩擦接触                                                                          （b） 无摩擦接触

图 6 接合处的变形等高线图

              (a) 摩擦接触：接触面在孔洞                                                     (b) 无摩擦接触：接触面在孔

                  周围相互贴合（无滑移）                                                           洞周围发生相对滑移

图 7 接触状态比较

采用绑定接触对梁柱节点进行建模

7、对梁与柱之间采用绑定接触进行分析。

在 Workbench 中复制 “无摩擦接触” 分析系统，并重命名为 “绑定接触”。在 Mechanical 中编辑模型，将梁与柱之间的接触改为绑定接触。重新运行仿真并查看结果。图 8 显示，其最大变形远小于另外两种接触工况，这表明绑定接触能更好地约束两个接触面。但图 9 中的接触状态云图表明，两个接触面完全粘结在一起，这与实际情况不符。

图 8 接合处的变形等高线图

图 9 粘结接触的接触状态图

总结：

本案例阐述了螺栓预紧力建模的流程，并对比了有无螺栓预紧力情况下的仿真结果。施加螺栓预紧力能够提升结构整体性、优化应力分布并提高节点刚度。

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