第五章接触问题的非线性有限元分析
5.1引言
在工程结构中，经常会遇到大量的接触问题。火车车轮与钢轨之间，齿轮的啮合是典型的接触问题。在水利和土木工程中，建筑物基础与地基，混凝土坝分缝两侧，地下洞室衬砌与围岩之间，岩体结构面两侧都存在接触问题。对于具有接触面的结构，在承受荷载的过程中，接触面的状态通常是变化的，这将影响接触体的应力场。而应力场的改变反过来又影响接触状态，这是一个非线性的过程。由于接触问题对工程实践的重要性，本章将作为专门问题进行研究。
最早对接触问题进行系统研究的是H. Hertz，他在1882年发表了《弹性接触问题》一书中，提出经典的Hertz弹性接触理论。后来Boussinesg 等其他学者又进一步发展了这个理论。但他们都是采用一些简单的数学公式来研究接触问题，因而只能解决形状简单（如半无限大体）、接触状态不复杂的接触问题。
二十世纪六十年代以后，随着计算机和计算技术的发展，使应用数值方法解决复杂接触问题成为可能。目前，分析接触问题的数值方法大致可分为三类：有限元法、边界元法和数学规划法。
数学规划法是一种优化方法，求解接触问题时，根据接触准则或变分不等式建立数学模型，然后采用二次规划或罚函数方法给出解答。
边界元方法也被用来求解接触问题，1980年和1981年，Anderson先后发表两篇文章，用于求解无摩擦弹性接触和有摩擦弹性接触问题。近年来虽有所发展，但仍主要用于解决弹性接触问题。
就目前的发展水平来看，数学规划法和边界元法只适合于解决比较简单的弹性接触问题。对于相对复杂的接触非线性问题，如大变形、弹塑性接触问题，还是有限元方法比较成熟、比较有效。
早在1970年，Wilson和Parsons提出一种位移有限元方法求解接触问题。Chan和Tuba，Ohte等进一步发展了这类方法。它的基本思想是假定接触状态，求出接触力，检验接触条件，若与假定的接触状态不符，则重新假定接触状态，直至迭代计算得到的接触状态与假定状态一致为止。具体做法是：
对于弹性接触的两个物体，通过有限元离散，建立支配方程
1
1
1
R
δ
K=(5.1)
式中，
1
K为初始的整体劲度矩阵，它与接触状态有关，通常根据经验和实
际情况假定。
1
δ是结点位移列阵，
1
R为结点荷载列阵。
求解式（5.1），得到结点位移
1
δ，再计算接触点的接触力
1
P，将
1
δ和1
P代入与假定接触状态相应的接触条件，如果不满足接触条件，就要修改
接触状态。根据修改后新的接触状态，建立新的劲度矩阵
2
K和支配方程
2
2
2
R
δ
K=(5.2)
再由式（5.2）解得
2
δ，进一步计算接触力
2
P，将
2
δ和
2
P代入接触条件，
验算接触条件是否满足。这样不断的迭代循环，直至
n
δ和
n
P满足接触条件为止，此时得到的解答就是真实接触状态下的解答。
在以上的研究中，没有考虑接触面的摩擦力。不考虑摩擦力的接触过程是一种可逆的过程，即最终结果与加载途径无关。此时，只需要进行一次加载，就能得到最终稳定的解。如果考虑接触面的摩擦力，接触过程就是不可逆的，必须采用增量加载的方法进行接触分析。1973年，Tusta 和Yamaji 的文章详细讨论了接触过程的可逆性和不可逆性。
从Wilson 和Parsons 的方法可看出，每一次接触状态的改变，都要重新形成整体劲度矩阵，求解全部的支配方程，既占内存，又费机时。实际上，接触状态的改变是局部的，只有与接触区域有关的一小部分需要变动，为此又提出一些改进的方法。
1975年，Francavilla 和Zienkiewicz 提出相对简单的柔度法。图5.1示出两个相互接触的物体A 和B ，假定A 上有外力R 作用，B 有固定边界。接触面作用在A 上的接触力是A
J P ，作用在B 上的接触力是B
J P ，对于二维问题，
A
n j t j A j P P ??????????=P B
n j t j B
J P P ??
????????=P (5.3)
这些接触力是未知的，假定有m 个接触点对，则增加了4m 个未知量，为此需要补充4m 个方程。现列出接触点的柔度方程
∑∑∑===+==m
j m k A
k A
ik A j A ij A i m
j B
j B ij B i 1
1,1,1
R C P C δP C δ (5.4)
其中，A i ,δ和B i ,δ分别是物体A 和B 在接触点i 处的位移，A ij C 和B
ij C 分别
表示物体A 和B 因j 点作用单位力时在i 点引起的位移（即柔度系数）所组成的柔度子矩阵，m 1是外荷载作用的点数，A
k R 为第k 个荷载作用点上的荷载向量。
如果物体A 和B 之间的接触属于连续接触，则接触条件为
A i ,δ＝
B i ,δ＋0,i δ (5.5)
B j A j P P -= (5.6)
（5.5）和（5.6）是4m 个补充方程，式中，0,i δ是第i 个接触点对的初始间隙向量。由于式（5.6）的存在，令
j B j A j P P P =-=，未知量数目减少，增加的未知量剩下2m
个。将式（5.4）和（5.6）代入（5.5）得
0,1
1
1
)(i m k A k A
ik m
j j B
ij
A ij
P δR C C C
+-=+∑∑==
(5.7)
式（5.7）共有2m 个补充方程。
对于滑动接触和不接触的自由边界，同样可根据相应的接触条件列出与式（5.7）类似的补充方程求解。
引入接触条件后，接触状态变化时，计算对象的整体劲度矩阵不再改变，出现的问题是增加了未知量数，需要建立补充方程。但由于补充方程（5.7）中，A
ij C 、B
ij C 和A
ik C 不随接触状态的改变而变化，而且接触点的数
目远小于整体的结点数，因而可大大节约计算时间，提高了求解接触问题的效率。
另外一种提高接触问题计算效率的方法是把接触点对作为“单元”考虑。1979年，Okamoto和Nakazawa提出“接触单元”，它是根据接触点对位移与力之间的接触条件建立的。接触单元和普通单元一样，可以直接组装到整体劲度矩阵中去。然后对支配方程进行“静力凝聚”，保留接触面各点的自由度，得到在接触点凝聚的支配方程。由于接触点数远小于结点数，凝聚后的方程阶数比未凝聚时方程阶数低得多。当接触状态改变时，只需对凝聚的支配方程进行修正和求解，因而可节约计算时间。
1975年，Schafer根据虚功原理推导了“连接单元”，也可以象普通单元一样地形成和组装到整体劲度矩阵中。连接单元包含有接触面的接触特性，通过改变形成单元的某些参数，来反映不同的接触状态。
1977年，J. T. Stadter和R. O. Weiss提出间隙元方法。“间隙元”是一种虚设的具有一定物理性质的特殊接触单元，其内部的应力应变反映了接触状态，并利用塑性力学中的“应力不变”准则来模拟接触过程。
目前的接触研究主要集中在弹性接触问题，关于弹塑性接触问题的研究也有了相当的进展，但有关大变形弹塑性接触的研究成果还很少。
5.2 弹性接触问题
5.2.1 基本假定
在分析弹性接触问题时，有如下的基本假定：
(1)接触物体的材料是线弹性的，位移和变形是微小的；
(2)作用在接触面上的摩擦力服从Mohr-Coulomb准则；
(3)接触面连续平滑。
5.2.2 接触条件
所谓接触条件，是指接触面上接触点处的位移和力的条件。利用接触条件，可以判断接触物体之间的接触状态。接触状态可分为三类：连续接触，滑动接触和自由边界。为了更方便地表示接触条件，需要在接触面上
建立局部坐标系z
y
x
o''''，如图5.2所示。由于一般情况下，A、B两个物体在接触点处无公共切面和公共法线，因此，局部坐标系的z'轴只能尽可能地接近公法线方向，y
x
o'''平面尽可能地接近公切面。
令
ji
δ和
ji
P分别是第j个接触物体（j=A, B）沿第i个局部坐标（i=z
y
x'
'
',
,）的位移和接触力，则三类接触条件可表示为：
(1) 连续接触条件
Bi
Ai
P
P-
=（i=z
y
x'
'
',
,）(5.8)
Bi
Ai
z
z B
z A
δ
δ
δ
δ
δ=
+
=
'
'
'0
（i=y
x'
',）(5.9) 同时要满足沿接触面的切平面方向不滑动的条件：
≤
'z B
P和
z B
y B
x B
P
f
P
P
'
'
'
≤
+2
2(5.10)
以上式中，
z'
δ是接触面在z'方向的初始间隙，f是接触面之间的滑动摩擦系数。
(2) 滑动接触条件
z
z B
z A'
'
'
+
=
δ
δ
δ(5.11)
Bi Ai P P -= （i =z y x ''',,）或者表示为z B z A P P ''-=和z B y B x B P f P P '''>+2
2
(5.12)
其中，θcos z B x B P f P ''=，θsin z B y B P f P ''=
22
cos y B x B x B P
P
P '
'
'+=
θ，22sin y B x B y B P
P P '
'
'+=
θ
(3) 自由边界条件
0=-=Bi Ai P P （i =z y x ''',,） (5.13)
z z B z A '''+>0δδδ (5.14)
以上接触条件中出现的位移和接触力通常都是未知量，因此需要采用迭代算法，即首先假定接触状态，根据假定的接触状态建立有限元求解的支配方程，求解方程得到接触面的位移和接触力，并校核接触条件是否与原来假定的接触状态相符。若不同，就要修正接触状态，这样不断地循环，直到接触状态稳定为止。实际上，这是一个局部的几何非线性问题。 5.2.3 接触问题的可逆性
对于接触问题，存在可逆和不可逆两种接触状态。所谓“可逆”，是指沿不同的加载途径，其最终的结果是相同的。“不可逆”则是指对于不同的加载途径，最后的结果不同。发生不可逆过程的原因是由于接触面出现了滑动摩擦，下面的例子可以说明这一点。
图5.3示出一个由A 、B 、C 三个物体组成的接触问题。物体A 上面作用有匀布荷载R ，左边为铰支座。物体C 左边和下
面均有铰支座。物体B 在匀布荷载Q 的作用下，可以沿着上下两个接触面滑移。加载分三步：
(1) 施加荷载R ，并保持R 0不变； (2) 施加荷载Q ，从0增加到Q 0； (3) 逐渐减小荷载R ，回到0。
现考察A 、B 接触面上某一点s 的切向力q 随荷载Q 的变化过程。当Q ＝0时，假定q ＝0。随着Q 的增大，q 也增大，直到物体B 发生滑动，此时q ＝－fP 0，见图5.3中的t 1点。q 保持此值，直至Q ＝Q 0为止，此时，相应的点为t 2。接着，Q 开始减小，从平衡的角度，q 也减小，逐渐到零。由于这时Q 还未减小到零，q 会继续减小，实际上是改变符号，向相反方向增加，直到q ＝fP 0（t 3点），当Q 减小到零时，回到点t 4。
可以看出，由于接触面滑动摩擦的存在，最终状态t 4与初始状态t 0是不同的，说明切向接触力是不可逆的。
因此，凡是考虑接触面切向摩擦力的接触问题，都应当按复杂加载过程来研究，即通过增量的方式求解。对于不考虑摩擦的可逆过程，是一种简单加载过程，可以一步加载完成求解。
5.3 弹性接触问题有限元基本方程和柔度法求解
假设A 、B 是相互接触的两个物体，为了研究的方便，将它们分开，代之以接触力P A 和P B ，如图5.4所示。然后建立各自的有限元支配方程：
B
B B B A A A A P
R δK P R δK +=+=
(5.15)
式中，K A 、A
δ和R A 分别是物体A 的整体劲度矩阵、
q
-fP fP 0
t 0
结点位移列阵和外荷载，K B 、B δ和R B
分别是物体B 的整体劲度矩阵、结点位移列阵和外荷载。
显然，接触力P A 和P B 都是增加的未知量，无法由式（5.15）求出，必须根据接触面上接触点对的相容条件确定。
设A 、B 上的接触点对为i A 和i B （i =1, 2, …, m ），假定劲度矩阵K A
和K B 非奇异，可求逆，则由式（5.15）得到接触点的柔度方程
∑∑∑∑====+=+=B
A
n k B
k B
ik m
j B j B ij B i n k A k A
ik m
j A j
A ij
A i
1
1
11R C P C δR C P C δ (5.16)
式中，i 、j =1, 2, …, m 表示结点号，m 是接触点对数目，n A 、n B 分别为作用在物体A 和B 上外荷载的作用点数，A
i δ和B
i δ表示物体A 和B 上接触点i 的位移
[]
[]
T B iz
B iy
B ix
B i
T
A iz A iy A
ix
A i δ
δ
δ
δδδ==δ
δ
A j P 、
B j P 是A 和B 上接触点j 的接触力
[][]
T B jz
B jy
B jx
B j
T A jz A jy
A
jx
A j P
P
P
P P P ==P
P A
k R
、
B k
R 为A 和B 上结点k 的外荷载
[][]
T
B kz
B ky
B kx
B
k T A kz A ky A
kx
A k R R R
R R R ==R R A ij C 、B
ij
C 表示物体A 和B 上，由j 点的单位力引起的i 点在x 、y 、z 三个方向的位移，是一个3×3阶的柔度矩阵。
在列出相容条件，求解接触问题之前，有两个问题需要解决。
首先是消除刚体位移的问题。因为得到方程（5.16）的前提是K A 和K B
非奇异可求逆，也就是说物体A 和B 要有足够的约束，不会发生刚体位移。但是有些接触物问题中，可能会有某个物体由于约束不够产生刚体位移，此时须对刚体位移进行处理。
以图5.4中的物体A 为例，假定它的约束不够，则K A 为奇异矩阵，记为A K '。引入虚拟的约束，消除A 的刚体位移，则（5.15）的第一式可改写为
??
?
???+??????+??????=????????????0000c A A A c A c A
δP R δδK K I (5.17) 其中，c
δ是与虚拟约束相应的位移向量，I 是单位矩阵。由上式得到
c
c A A A A A δK P R δK -+= (5.18)
从式（5.18）导出物体A 上接触点的柔度方程
c i n k A k A
ik m
j A j
A ij
A i
A
δF R C P C δ++=∑∑==1
1
（i =1, 2, …, m ） (5.19)
F i 是与刚体位移相应的柔度矩阵。
第二个问题是，要将上述整体坐标系下的量转化到接触面的局部坐标系z y x o 。接触点位移和接触力在不同坐标系下的表达式有以下的关系
A i
T
i A
i
A i
T
i A i δ
T δP T P == （A 、B ） (5.20)
式中，i T 是结点i 的坐标转换矩阵，A
i P 、A
i δ分别是接触面局部坐标系下，结点i 的接触力和位移。将式（5.20）代入式（5.19），得
c i n k A k A ik
m
j A j
A ij A
i
A
δF R C P C δ++=∑∑==1
1
(5.21)
其中，T j A ij i A
ij
T C T C
=，A
ik i A
ik
C T C =，i i i F T F =。同样，将式（5.20）
代入式（5.16）的第二式，得
∑∑==+=B
n k B k B ik
m
j B j
B ij B i
1
1
R C P C δ (5.22)
以下将针对三类接触条件建立相应的相容方程。 (1) 连续边界
根据前面的连续边界条件（5.9），可以建立接触点的位移相容方程
0i B
i A i δδδ+= (5.23)
0i δ是第i 个接触点对在局部坐标系下的初始间隙。将（5.21）和（5.22）
代入（5.23），并注意有j B
j A j P P P =-=，可得
01
i i c i m
j j ij
δR δF P C
-?-=+∑= (5.24)
式中，
B
ij A ij ij C C C += (5.25)
∑∑==-=?A
B
n k A k A
ik n k B k
B ik
i 1
1
R C R C R (5.26)
(2) 滑动边界
接触面局部坐标系z 方向的位移仍然满足式（5.23），但在切平面的x 和
y 方向，接触力的合力已经达到摩擦极限，按照Mohr-Coulomb 定律，则
有
α
αsin cos jz jy jz jx P f P P f P == (5.27)
(3) 自由边界
0=j P (5.28)
以上建立的相容方程，为原来的有限元支配方程增加了3m 个补充方
程，以求解3m 个增加的未知接触力P j (j =1, 2, …, m )。
在建立相容方程时，必须知道接触状态，而接触状态事先也是未知的，因此这是一个迭代求解的过程。一般先假定为连续接触状态，按式（5.24）建立全部接触点的相容方程，求出接触力后，验证接触条件是否满足连续接触，若是则不作修改；若为滑动状态，就用式（5.27）来代替这个接触点在x 和y 两个方向相应的方程；若是自由状态，就用式（5.28）替换这个接触点的所有相应方程。这样通过反复迭代，就可以求得真正的接触力和相应的相容方程。
5.2.4 相容方程的增量形式
对于具有滑动摩擦的接触问题，由于接触过程的不可逆，需要采用增量方式加载、假定分级加载的次数为n p ，在进行第l 级加载前已经施加的
混杂为A l k 1,-R 和B l k 1,-R ，本级荷载增量为A l k d ,R 和B
l k d ,R ，这样式（5.24）就
变成
0,1
,i l i c l i m
j l j ij
δR δF P C
-?-=+∑= (5.29)
注意式中的各项有，
l j l j l j ,1,,P P P ?+=- c l c l c l δδδ?+=-1
l
i l i n k A l k A
ik n k B l
k B ik
n k A l k A ik
n k B l k B
ik
n k A l k A ik
n k B l
k B ik
l i d d d A
B
A
B
A
B
,1,1
,1
,1
1
,1
1
,1
,1,,R R R C R
C R
C R
C R C R
C R ?+?=-+-==
-=?-===-=-==∑∑∑∑∑∑
将上述各式代回式（5.29），得
01,11
1,,1
,i l i c l i m
j l j ij l i c
l
i m
j l j ij
d δR δF P C R δF P C
-?---?-=?+?--=-=∑∑
(5.30)
令
01,11
1,1,i l i c l i m
j l j ij l i δR δF P C δ-?--=--=--∑ (5.31)
则（5.30）成为
1,,1
,-=-?-=?+?∑l i l i c l i m
j l j ij
d δR δF P C
(5.32)
式（5.32）为连续接触条件相容方程的增量形式。
对于滑动接触条件，z 方向的相容方程与式（5.32）类似，x 和y 方向上相容方程的增量形式可表示为
α
αsin cos ,,,,l jz l jy l jz l jx P f P P f P ?=??=? (5.33)
对于自由接触条件，相容方程的增量形式则为
0,=?l j P (5.34)
以上得到的接触点相容方程，由于刚体位移的存在，其未知量数目仍然大于方程数，因此必须补充整体平衡方程。
对于第l 级加载，整体平衡方程为
∑∑===A
n k A l k m
j l j j
1
.1
,R P Q
(5.35)
其中，
l j l j l j ,1,,P P P ?+=-
∑∑∑+=-A l k A l k A l k d ,1,,R R R
代入式（5.35）得
∑∑∑∑+=?+-==-A l k A l k m
j l j j m
j l j j
d ,1,1
,1
1,R R P Q P Q
注意
∑∑=-=-=A
n k A l k m
j l j j
1
1.1
1,R P Q
整体平衡方程为
∑∑=?=A l k m
j l j j d ,1
,R P Q
(5.36)
5.4 间隙元方法
上一节的柔度法对大面积的接触问题不合适，因为接触面积大，就需要布置比较多的接触点对，从而引起柔度矩阵求逆的困难。另外，对于多个物体的接触问题，柔度法还不够成熟。因此，对于大面积接触和多体接触问题，常常采用间隙元方法。
间隙元的基本思想是提高虚设的间隙单元来联接相互接触的物体，并人为构造单元的物理特性以模拟接触过程。
ANSYS接触分析
接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。
接触问题存在两个较大的难点：其一，在你求解问题之前，你不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供你挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。
一般的接触分类
接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，半柔体─柔体的接触，在刚体─柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，（与它接触的变形体相比，有大得多的刚度），一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触，另一类，柔体─柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有近似的刚度）。
ANSYS接触能力
ANSYS支持三种接触方式：点─点，点─面，平面─面，每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。
为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触，如果相互作用的其中之一是一点，模型的对立应组元是一个结点。如果相互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，例如梁单元，壳单元或实体单元，有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，至于ANS TS使用的接触单元和使用它们的过程，下面分类详述。
点─点接触单元
点─点接触单元主要用于模拟点─点的接触行为，为了使用点─点的接触单元，你需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况（即使在几何非线性情况下）
如果两个面上的结点一一对应，相对滑动又以忽略不计，两个面挠度（转动）保持小量，那么可以用点─点的接触单元来求解面─面的接触问题，过盈装配问题是一个用点─点的接触单元来模拟面─与的接触问题的典型例子。
点─面接触单元
点─面接触单元主要用于给点─面的接触行为建模，例如两根梁的相互接触。
如果通过一组结点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点─面的接触单元来模拟面─面的接触问题，面即可以是刚性体也可以是柔性体，这类接触问题的一个典型例子是插头到插座里。
使用这类接触单元，不需要预先知道确切的接触位置，接触面之间也不需要保持一致的网格，并且允许有大的变形和大的相对滑动。
Contact48和Contact49都是点─面的接触单元，Contact26用来模拟柔性点─刚性面的接触，对有不连续的刚性面的问题，不推荐采用Contact26因为可能导致接触的丢失，在这种情况下，Contact48通过使用伪单元算法能提供较好的建模能力。
面─面的接触单元
ANSYS支持刚体─柔体的面─面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，分别用T arge169和Targe170来模拟2─D和3—D的“目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面，用Conta171,Conta172,Conta173,Conta174来模拟。一个目标单元和一个接单元叫作一个“接触对”程序通过一个共享的实常号来识别“接触对”，为了建立一个“接触对”给目标单元和接触单元指定相同的实常的号。
与点─面接触单元相比，面─面接触单元有好几项优点，
·支持低阶和高阶单元
·支持有大滑动和摩擦的大变形，协调刚度阵计算，单元提法不对称刚度阵的选项。
·提供工程目的采用的更好的接触结果，例如法向压力和摩擦应力。
·没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性不是必须允许有自然的或网格离散引起的表面不连续。
·与点─面接触单元比，需要较多的接触单元，因而造成需要较小的磁盘空间和CPU时间。
·允许多种建模控制，例如：
·绑定接触
·渐变初始渗透
·目标面自动移动到补始接触
·平移接触面（老虎梁和单元的厚度）
·支持死活单元
使用这些单元，能模拟直线（面）和曲线（面），通常用简单的几何形状例如圆、抛物线、球、圆锥、圆柱采模拟曲面，更复杂的刚体形状能使用特殊的前处理技巧来建模。
执行接触分析
不同的接触分析类型有不同的过程，下面分别讨论
面─面的接触分析
在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”面而把另一个作为“接触”面，对刚体─柔体的接触，“目标”面总是刚性的，“接触”面总是柔性面，这两个面合起来叫作“接触对”使用Targe169和Conta171或Conta172来定义2-D接触对，使用Targe170和Conta173或Conta174来定义3-D接触对，程序通过相同的实常收号来识别“接触对”。
接触分析的步骤：
执行一个典型的面─面接触分析的基本步骤列示如下：
1．建立模型，并划分网格
2．识别接触对
3．定义刚性目标面
4．定义柔性接触面
5．设置单元关键字和实常的
6．定义／控制刚性目标面的运动
7．给定必须的边界条件
8．定义求解选项和载荷步
9．求解接触问题
10．查看结果
步骤1：建立模型，并划分网格
在这一步中，你需要建立代表接触体几何形状的实体模型。与其它分析过程一样，设置单元类型，实常的，材料特性。用恰当的单元类型给接触体划分网格。
命令：AMESH
VMESH
GUI：Main Menu>Preprocessor>mesh>Mapped>3 or4 Sided
Main Menu>Pneprocessor>mesh>mapped>4 or 6 sided
步骤二：识别接触对
你必须认识到，模型在变形期间哪些地方可能发生接触，一是你已经识别出潜在的接触面，你应该通过目标单元和接触单元来定义它们，目标和接触单元跟踪变形阶段的运动，构成一个接触对的目标单元和接触单元通过共享的实常号联系起来。
接触环（区域）可以任意定义，然而为了更有效的进行计算（主要指CPU时间）你可能想定义更小的局部化的接触环，但能保证它足以描述所需要的接触行为，不同的接触对必须通过不同的实常数号来定义（即使实常数号没有变化）。
由于几何模型和潜在变形的多样形，有时候一个接触面的同一区域可能和多个目标面产生接触关系。在这种情况下，应该定义多个接触对（使用多组覆盖层接触单元）。每个接触对有不同的实常数号。
步骤三：定义刚性目标面
刚性目标面可能是2—D的或3─D的。在2—D情况下，刚性目标面的形状可以通过一系列直线、圆弧和抛物线来描述，所有这些都可以用TAPGE169来表示。另外，可以使用它们的任意组合来描述复杂的目标面。
在3—D情况下，目标面的形状可以通过三角面，圆柱面，圆锥面和球面来推述，所有这些都可以用TAPGE170来表示，对于一个复杂的，任意形状的目标面，应该使用三角面来给它建模。
控制结点（Pilot）
刚性目标面可能会和“pilot结点“联系起来，它实际上是一个只有一个结点的单元，通过这个结点的运动可以控制整个目标面的运动，因此可以把pilot结点作为刚性目标
的控制器。整个目标面的受力和转动情况可以通过pilot结点表示出来，“pilot结点”可能是目标单元中的一个结点，也可能是一个任意位置的结点，只有当需要转动或力矩载荷时，“pilot结点”的位置才是重要的，如果你定义了“pilot结点”ANSYS程序只在“pilot
结点”上检查边界条件，而忽略其它结点上的任何约束。
对于圆、圆柱、圆锥、和球的基本图段，ANSYS总是使用条一个结点作为“pilot 结点”
基本原型
你能够使用基本几形状来模拟目标面，例如：“圆、圆柱、圆锥、球。直线、抛物线、弧线、和三角形不被允许、虽然你不能把这些基本原型彼此合在一起，或者是把它们和其它的目标形状合在一起以便形成一个同一实常数号的复杂目标面。但你可以给每个基本原型指定它自己的实常的号。
单元类型和实常数
在生成目标单元之前，首先必须定义单元类型（TARG169或TARG170）。
命令：ET
GUI:main menu>preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete
随后必须设置目标单元的实常数。
命令:Real
GUI:main menn>preprocessor>real constants
对TARGE169和TARGE170仅需设置实常数R1和R2，而只有在使用直接生成法建立目标单元时，才需要从为指定实常数R1、R2，另外除了直接生成法，你也可以使用ANSYS 网格划分工具生成目标单元，下面解释这两种方法。
使用直接生成法建立刚性目标单元
为了直接生成目标单元，使用下面的命令和菜单路径。
命令：TSHAP
GUI：main menu>preprocessor>modeling-create>Elements>Elem Attribu tes
随后指定单元形状，可能的形状有：
·straight line (2D)
·parabola (2-D)
·clockwise arc(2-D)
·counterclokwise arc (2-D)
·circle(2-D)
·Triangle (3-D)
·Cylinder (3-D)
·Cone (3-D)
·Sphere (3-D)
·Pilot node (2-D和3-D)
一旦你指定目标单元形状，所有以后生成的单元都将保持这个形状，除非你指定另外一种形状。
然后你就可以使用标准的ANSYS直接生成技术生成结点和单元。
命令：N
E
GUI：main menu>pnoprocessor> modeling- create> nodes
main menu>pnoprocessor> modeling- create>Elements 在建立单元之后，你可以通过列示单元来验证单元形状
命令：ELIST
GUI：utility menu>list>Elements>Nodes+Attributes
使用ANSYS网格划分工具生成刚性目标单元
你也可以使用标准的ANSYS网格划分功能让程序自动地生成目标单元，ANSYS程序将会以实体模型为基础生成合适的目标单元形状而忽略TSHAP命令的选项。
为了生成一个“PILOT结点”使用下面的命令或GUI路径：
命令：Kmesh
GUI：main menu>proprocessor>meshing-mesh>keypoints
注意：KMESH总是生成“PI LOT结点”
为了生成一个2─D目标单元，使用下面的命令和GUI路径：
ANSYS在每条直线上生成一条单一的线，在样条曲线上生成抛物线部分，在每条圆弧和倒角上生成圆弧部分，如果所有的圆弧形成一个封闭的圆，ANSYS生成一个单一的圆段。
命令：LMESH
GUI：main menu>pneprocessor>mesling-mesh>lines
为了生成3─D的目标单元，使用下面的命令或GUI路径。
如果实体模型的表面部分形成了一个完整的球，圆柱或圆锥，那么ANSYS程序自动生成一个基本的3─D目标单元，因为生成较少的单元，从而使你分析计算更有效率，对任意形状的表面，应该使用Amesh命令来生成目标单元，在这种情况下，网格形状的质量不是重要的，而目标单元的形状是否能完成好的模拟刚性面的表面几何形状显得更重要。
命令：AMESH
GUI：main menu>preprocessor>-meshing-mesh>Area
ANSYS在所有可能的面上推荐使用三角形的映射网格划分，如果在表面的边界上没有曲率，则在网格划分时，指定那条边界分为一分，下面的命令或GUI路径将尽可能的生成一个映射网格（如果不能进行映射，它将生成自由网格）
命令：MSHKFY，2
GUI：main menu>preprocessor>-meshling-mesh>-Ares-Target Surf
建模和网格划分的注意点：
非线性有限元方法及实例分析 梁军 河海大学水利水电工程学院，南京（210098） 摘 要：对在地下工程稳定性分析中常用的非线性方程组的求解方法进行研究，讨论了非线性计算的迭代收敛准则，并利用非线性有限元方法分析了一个钢棒单轴拉伸的实例。 关键词：非线性有限元，方程组求解，实例分析 1引 言 有限单元法已成为一种强有力的数值解法来解决工程中遇到的大量问题，其应用范围从固体到流体，从静力到动力，从力学问题到非力学问题。有限元的线性分析已经设计工具被广泛采用。但对于绝大多数水利工程中遇到的实际问题如地下洞室等，将其作为非线性问题加以考虑更符合实际情况。根据产生非线性的原因，非线性问题主要有3种类型[1]： 1．材料非线性问题（简称材料非线性或物理非线性） 2．几何非线性问题 3．接触非线性问题（简称接触非线性或边界非线性） 2 非线性方程组的求解 在非线性力学中，无论是哪一类非线性问题，经过有限元离散后，它们都归结为求解一个非线性代数方程组[2]： ()()()00 021212211=… …==n n n n δδδψδδδψδδδψΛΛΛ （1.1） 其中n δδδ,,,21Λ是未知量，n ψψψ,,,21Λ是n δδδ,,,21Λ的非线性函数，引用矢量记 号 []T n δδδδΛ21＝ （1.2） []T n ψψψψΛ21= （1.3） 上述方程组（1.1）可表示为 ()0=δψ （1.4） 可以将它改写为 ()()()0=?≡?≡R K R F δδδδψ （1.5） 其中()δK 是一个的矩阵，其元素 是矢量的函数，n n ×ij k R 为已知矢量。在位移有限 元中，δ代表未知的结点位移，()δF 是等效结点力，R 为等效结点荷载，方程()0=δψ表示结点平衡方程。 在线弹性有限元中，线性方程组
第18章接触问题的有限元分析技术 第1节基本知识 接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行准确而有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。 接触问题存在两个较大的难点：其一，在求解问题之前，不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的、突然变化的，这些随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多数的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型可供挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。 一、接触问题分类 接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触和半柔体─柔体的接触。在刚体─柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，（与它接触的变形体相比，有大得多的刚度），一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触；另一类，柔体─柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有近似的刚度）。 ANSYS支持三种接触方式：点─点、点─面和平面─面。每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。 二、接触单元 为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触，如果相互作用的其中之一是一点，模型的对立应组元是一个节点。如果相互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，例如梁单元，壳单元或实体单元。有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元。下面分类详述ANSYS使用的接触单元和使用它们的过程。 1．点─点接触单元 点─点接触单元主要用于模拟点─点的接触行为，为了使用点─点的接触单元，需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况（即使在几何非线性情况下）。 如果两个面上的节点一一对应，相对滑动又以忽略不计，两个面挠度（转动）保持小量，那么可以用点─点的接触单元来求解面─面的接触问题，过盈装配问题是一个用点─点的接触单元来模拟面─与的接触问题的典型例子。 2．点─面接触单元 点─面接触单元主要用于给点─面的接触行为建模，例如两根梁的相互接触。 如果通过一组节点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点─面的接触单元来模拟面─面的接触问题，面即可以是刚性体也可以是柔性体，这类接触问题的一个典型例子是
轮轨接触动力学报告 —关于轮轨接触动力学的思考 年级：2013级 专业：载运工具应用工程 姓名：刘新龙 学号：13217021
关于轮轨接触动力学的思考 提高机车运行速度和加大牵引能力是当今世界铁路发展的趋势,而达到这一目的就必须深入轮轨关系的理论研究,改善机车的粘着利用水平。轮轨关系则是机车车辆、轨道系统中最基本、最复杂的一个问题,是特殊的、典型的三维滚动摩擦接触问题。接触理论始于1882年, 由H. Hertz发表的经典论文《论弹性固体的接触》。他提出了椭圆接触面的假设, 把三维接触问题简化为弹性无限半空间问题。Hertz的研究成果为接触理论奠定了坚实的基础, 但Hertz理论仅局限于无摩擦表面及理想弹性固体, 对于轮轨这样复杂的三维滚动接触问题显然是不能准确求解的。 近几十年来,国内外在轮轨滚动接触问题的理论研究和实验研究方面都取得了很大进展,但随着铁路技术的不断提高,使用解析解法解决轮轨关系问题的局限性也愈加突出。在高速和重载的要求下,轮轨的波磨问题、疲劳损伤问题变得更加严重,而这些问题的产生都与轮轨间作用力有着直接的关系。因此,在现有轮轨滚动接触理论的基础上,使用有限元方法以精确模拟轮轨的几何形状及其相互接触关系,将是今后解决轮轨关系问题的主要途径。 不断增长的运输量, 要求铁路必须在保证安全的前提下, 增加货物列车的重量, 提高客运列车的速度和运行品质。因此, 新型机车车辆的设计、制造和线路的建设与维护, 都迫切需要预知轮轨之间的动力作用特性。而现在人类已经能够准确地模拟一个飞行体在宇宙空间的运动并进行精确控制, 但却不能精确摸拟铁路轮轨的相互作用。可见轮——轨关系及车辆——线路相互作用仍然是铁道车辆动力学的中心课题。机车车辆或者列车与铁道线路是一个整体系统, 在这个系统中, 它们相互关联, 相互作用。因此在研究机车车辆动力学性能时, 不能简单地视线路为外激干扰。换言之, 线路也并不存在独立于列车的激扰特性。引起系统产生振动和其它动力作用的是钢轨和车轮的滚动面上实际存在的不平顺和其它几何技术特性,当然还有列车中车辆与车辆之间, 机车与车辆之间的相互作用。
( 安全管理 ) 单位：_________________________ 姓名：_________________________ 日期：_________________________ 精品文档 / Word文档 / 文字可改 港口起重机小车轮轨接触的有 限元分析(新编版) Safety management is an important part of production management. Safety and production are in the implementation process
港口起重机小车轮轨接触的有限元分析 (新编版) 利用ANSYS10.0软件进行轮轨弹性接触有限元分析。文章分别对不同载荷条件下，小车轮轨接触在不同的初始接触位置处的应力进行分析，得出小车横向偏移对接触应力分布的影响。 随着世界贸易量大幅增长，世界各个港口之间的货物吞吐量逐年增加。世界各港口，特别是集装箱港及大型散货港在最近十几年发展迅猛，随着各个港口码头对装卸效率要求的大幅提高，桥式起重机正趋于大型化、高速化发展。起重量越来越大。工作速度越来越高，不可避免的小车运行速度也加快。小车运行速度的加快也使得小车车轮发生和横向移动，对小车运行的稳定性带来威胁。导向装置间隙引起的部分偏斜、轨道侧面或者水平轮的磨损引起的部分偏斜和轨道水平面上的直线性公差引起的部分偏斜都将造成车轮走
偏。 有限元模型的建立与数值分析 在实际接触中，由于车轮的横向移动导致初始位置发生改变。我们考虑了四种典型的横截面接触位置，将有限元方法求得的计算值与赫兹接触理论值做出比较。分析在不同的接触位置处应力的分布情况。 在本次模型中采用800t/h的卸船机小车运行轨道进行分析，小车轨道与主轨道相同。 由于车轮的横向运动，轮廓的每一处都可能发生接触。对于车轮和轨道接触的四个不同横截面位置处，建立了有限元模型。为了得到满意的接触结果，接近接触区的轮轨网格对四个模型中任何一个都是适用的。 将有限元计算结果与赫兹理论值进行比较，如下表所示： 表2-1加载100t时有限元计算结果与赫兹理论值 图形 a
基于ANSYS WORKBENCH的装配体有限元分析 模拟装配体的本质就是设置零件与零件之间的接触问题。 装配体的仿真所面临的问题包括： （1）模型的简化。这一步包含的问题最多。实际的装配体少的有十几个零件，多的有上百个零件。这些零件有的很大，如车门板；有的体积很小，如圆柱销；有的很细长，如密封条；有的很薄且形状极不规则，如车身；有的上面钻满了孔，如连接板；有的上面有很多小突起，如玩具的外壳。在对一个装配体进行分析时，所有的零件都应该包含进来吗？或者我们只分析某几个零件？对于每个零件，我们可以简化吗？如果可以简化，该如何简化？可以删除一些小倒角吗？如果删除了，是否会出现应力集中？是否可以删除小孔，如果删除，是否会刚好使得应力最大的地方被忽略？我们可以用中面来表达板件吗？如果可以，那么，各个中面之间如何连接？在一个杆件板件混合的装配体中，我们可以对杆件进行抽象吗？或者只是用实体模型？如果我们做了简化，那么这种简化对于结果造成了多大的影响，我们可以得到一个大致的误差范围吗？所有这些问题，都需要我们仔细考虑。 （2）零件之间的联接。装配体的一个主要特征，就是零件多，而在零件之间发生了关系。我们知道，如果零件之间不能发生相对运动，则直接可以使用绑定的方式来设置接触。如果零件之间可以发生相对运动，则至少可以有两种选择，或者我们用运动副来建模，或者，使用接触来建模。如果使用了运动副，那么这种建模方式对于零件的强度分析会造成多大的影响？在运动副的附近，我们所计算的应力其精确度大概有多少？什么时候需要使用接触呢？又应该使用哪一种接触形式呢？ （3）材料属性的考虑。在一个复杂的装配体中所有的零件，其材料属性多种多样。我们在初次分析的时候，可以只考虑其线弹性属性。但是对于高温，重载，高速情况下，材料的属性不再局限于线弹性属性。此时我们恐怕需要了解其中的每一种材料，它是超弹性的吗？是哪一种超弹性的？它发生了塑性变形吗？该使用哪一种塑性模型？它是粘性的吗？它是脆性的吗？它的属性随着温度而改变吗？它发生了蠕变吗？是否存在应力钢化问题？如此众多的零件，对于每一个零件，我们都需要考察其各种各样的力学属性，这真是一个丰富多彩的问题。（4）有限元网格的划分。我们知道，通过WORKBENCH，我们只需要按一个按钮，就可以得到一个粗糙的网格模型。但是如果从HYPERMESH的角度来看，ANSYS自动划分的网格，很多都是不合理的，质量较差而不能使用。那么对于装配体中的每个零件，我们该如何划分网格？对于每一个零件，我们是否要对之进行切割形成规则的几何体后，然后尽量使用六面体网格？如果
渐开线直齿圆柱齿轮接触应力有限元分析 摘要：本文针对ANSYS有限元齿轮接触仿真进行了探讨，计算齿轮的等效应力和接触应力，对齿轮的弯曲强度失效和接触疲劳失效研究具有重要的实际意义。利用有限元分析方法，得出了相互啮合齿轮在静态情况下，等效应力和接触应力的分布规律；同时分析了齿轮与不同直径齿轮接触时，等效应力和接触应力的变化情况。 关键词：齿轮接触有限元等效应力接触应力 ANSYS 引言 齿轮的接触问题是典型的接触非线性问题，在传统的计算设计方法中，我们通常将非线性问题进行一定的简化与假设，使之变为线性问题来求解，但是这种计算方法的结果不是十分精确。本文基于ANSYS软件建立渐开线直齿圆柱齿轮的二维有限元模型，对静载荷作用下齿轮接触问题进行有限元分析，求得齿轮接触问题更为精确的解，为解决齿轮接触问题提供了一定依据。 1 齿轮传动失效分析 齿轮传动的失效主要是轮齿的失效。根据齿轮传动工作和使用条件的不同，齿轮传动也就有不同的失效形式。主要的失效形式有轮齿的折断、齿面疲劳点蚀、磨损、胶合和塑性变形等。设计齿轮传动时，应对具体情况作具体分析，按可能发生的主要损伤或失效形式来进行相应的强度计算，有时以齿根弯曲疲劳强度为主，有时以齿面接触疲劳为主。这些问题采用有限元法来计算是十分方便的，下面我们将通过ansys对传动比不同的3组齿轮进行有限元分析。 2 有限元模型及其求解 2.1模型的建立 齿轮均选用标准渐开线直齿圆柱齿轮，模数m=3，压力角α=20°，齿数分别为Z1=35、Z2=25、Z3=20，传动比分别为35:35、25:35、20:35。在建模时考虑到齿轮具有轴对称结构，每个齿的受力情况基本相同，因此可以将齿轮模型简化为平面问题，这样可以节省大量计算时间。先在三维设计软件Pro/E中生成齿轮的三维模型，再将模型保存为iges格式，然后导入到ansys中，删除多余面，仅剩下齿轮端面，并复制一个齿轮并调整角度，可得如图1所示的齿轮实体模型。
非线性有限元分析 1 概述 在科学技术领域，对于许多力学问题和物理问题，人们已经得到了它们所应遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相应的定解条件（边界条件）。但能够用解析方法求出精确解的只是少数方程性质比较简单，并且几何形状相当规则的问题。对于大多数工程实际问题，由于方程的某些特征的非线性性质，或由于求解区域的几何形状比较复杂，则不能得到解析的答案。这类问题的解决通常有两种途径。一是引入简化假设，将方程和几何边界简化为能够处理的情况，从而得到问题在简化状态下的解答。但是这种方法只是在有限的情况下是可行的，因为过多的简化可能导致误差很大甚至是错误的解答。因此人们多年来一直在致力于寻找和发展另一种求解途径和方法——数值解法。特别是五十多年来，随着电子计算机的飞速发展和广泛应用，数值分析方法已成为求解科学技术问题的主要工具。 已经发展的数值分析方法可以分为两大类。一类以有限差分法为代表，主要特点是直接求解基本方程和相应定解条件的近似解。其具体解法是将求解区域划分为网格，然后在网格的结点上用差分方程来近似微分方程，当采用较多结点时，近似解的精度可以得到改善。但是当用于求解几何形状复杂的问题时，有限差分法的精度将降低，甚至发生困难。 另一类数值分析方法是首先建立和原问题基本方程及相应定解条件相等效的积分提法，然后再建立近似解法并求解。如果原问题的方程具有某些特定的性质，则它的等效积分提法可以归结为某个泛函的变分，相应的近似解法实际上就是求解泛函的驻值问题。诸如里兹法，配点法，最小二乘法，伽辽金法，力矩法等都属于这一类方法。但此类方法也只能局限于几何形状规则的问题，原因在于它们都是在整个求解区域上假设近似函数，因此，对于几何形状复杂的问题，不可能建立合乎要求的近似函数。 1960年，R.W.CLOUGH发表了有限单元法的第一篇文献“The Finite Element Method in Plane Stress Analysis”，这同时也标志着有限单元法（FEM）的问世。有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个，且按一定方式相互联接在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。并且可以利用在每一个单元假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。 现已证明，有限单元法是基于变分原理的里兹法的另一种形式，从而使里兹法分析的所有理论基础都适用于有限单元法，确认了有限单元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。利用变分原理建立有限元方程和经典里兹法的主要区别是有限单元法假设的近似函数不是在全求解域而是在单元上规定的，而且事先不要求满足任何边界条件，因此可以用来处理很复杂的连续介质问题。 在短短四十余年的时间里，有限单元的分析方法已经迅速地发展为适合于使用各种类型计算机解决复杂工程问题的一种相当普及的方法。如今，有限元广泛地应用于各个学科门类，已经成为工程师和科研人员用于解决实际工程问题，进行科学研究不可或缺的有力工具。有限单元法的应用围已由弹性力学平面问题扩展到空间问题，板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题，动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性，粘弹性，粘塑性和复合材料等，从固体
基于Cowper-Symonds本构关系的轮轨滚动接触行为有限元分析铁路运输作为一种节能环保的交通运输方式,近年来受到了越来越广泛的关注。而轮轨间的接触和相互作用则一直是铁路领域内被众多学者所关注的重要课题,这是因为轮对和轨道担任着铁路系统中最重要的角色,严重的轮轨故障必然会导致灾难性事故的发生。 随着列车行驶速度的不断提升,轮轨的损伤也会加剧,尤其是在高速列车的运用中,惯性效应变得不容忽视,材料的应变率效应也将更加显著的体现出来。然而,由于轮轨接触问题中存在着材料、几何和接触非线性,导致高速轮轨系统的动态接触行为十分的复杂,同时这也是研究该问题的意义所在。 因此,建立了三维轮轨滚动接触模型,并采用显式有限元软件LS-DYNA进行仿真计算,模型中考虑了轮轨接触的材料、几何和接触非线性,并考虑了应变率相关的材料参数,以研究动态轮轨接触行为。为了给轮轨滚动接触行为仿真分析提供真实、可靠的应变率相关的力学参数,采用HTM5020型高速拉伸试验机开展了D1轮辋钢和U71Mn轨钢在中应变率范围内的动态拉伸力学性能试验,得到了不同应变率下的塑性流动应力-应变响应曲线,建立了基于Cowper-Symonds经验性模型的动态本构关系。 同时还将三维轮轨滚动接触有限元模型拓展运用到轮对通过曲线的工况,考虑了曲线轨道的超高、轮对的横移和侧滚角。在直道工况下,以列车速度、轴重和材料的应变率效应为影响因素,进行轮轨动态响应的分析;在弯道工况下,以轨道曲线半径、轴重和材料的应变率效应为影响因素,进行轮轨动态响应的分析。 对轮轨动态响应的分析,包含:轮轨接触力、von-Mises等效应力、等效塑性应变、车轴轴心垂向加速度、直道下车轮踏面与轨面初始接触点的横向位移和弯
过盈配合应力的接触非线性有限元分析 作者：许小强赵洪伦 摘要基于非线性有限元软件MARC，提出过盈配合应力的动态和静态两种有限元分析方法，并以铁道车辆某高速轮对组装的过盈装配为例进行了有限元仿真计算，比较了两种方法的计算结果，分析了过盈量、摩擦系数、形状误差对装配应力的影响，结果对于确定合理过盈量和改进加工工艺具有参考意义。 关键词过盈配合接触非线性接触应力 0引言 在机械工程实际中普遍采用过盈配合来传递扭矩和轴向力，例如轴承配合、轴瓦配合、铁道车辆的轮轴、制动盘等。它是利用过盈量产生半径方向的接触面压力，并依靠由该面压力产生的摩擦力来传递扭矩和轴向力。由于过盈配合两个相配合的接触面上不能粘贴应变片，因此难以对其应力状态进行测定，对整个组装过程的应力状态更难以进行跟踪研究，而且这种配合方式往往承受着交变载荷的作用，配合面间可能发生相对滑动，这一滑动是随着应力变化而变化的，因而配合面边缘的接触状态和应力状态也随着应力的交变而变化，表现出复杂的状态，因此一般只能凭经验确定采用的过盈量。从力学角度看，这类问题属于接触非线性问题，传统的弹性接触解法已难以处理，可采用光弹性模拟实验进行研究，但只能反映应力分布趋势。近年来，随着非线性理论的不断完善和计算机技术的飞速发展，利用非线性有限元法来分析这类问题已日趋成熟。 铁道车辆随着向高速、重载不断发展，对轮轴的安全性要求也越来越高。研究表明，轮轴配合部位的应力状态对车轴的疲劳强度具有重要的影响，因此对轮对配合部位的宏观接触应力状态进行研究将有助于指导轮对制造标准的制定、高速重载轮对的设计和加工工艺的改进，以提高轮对的抗疲劳性能。 本文利用著名非线性有限元软件MARC，针对过盈配合的压力压装法和温差组装法对这类问题提出动态和静态两种仿真计算方法，并以铁道车辆某高速轮对的配合为例进行了计算，对比了两种计算方法的结果，分析了过盈量、摩擦系数、形状误差等因素对装配应力的影响。
ABAQUS有限元接触分析的基本概念2009-11-24 00:06:28 作者：jiangnanxue 来源：智造网—助力中国制造业创新—https://www.doczj.com/doc/d1463130.html, CAE(计算机辅助工程)是一门复杂的工程科学，涉及仿真技术、软件、产品设计和力学等众多领域。世界上几大CAE公司各自以其独到的技术占领着相应的市场。ABAQUS有限元分析软件拥有世界上最大的非线性力学用户群，是国际上公认的最先进的大型通用非线性有限元分析软件之一。它广泛应用于机械制造、石油化工、航空航天、汽车交通、土木工程、国防军工、水利水电、生物医学、电子工程、能源、地矿、造船以及日用家电等工业和科学研究领域。ABAQUS在技术、品质和可靠性等方面具有卓越的声誉，可以对工程中各种复杂的线性和非线性问题进行分析计算。 《ABAQUS有限元分析常见问题解答》以问答的形式，详细介绍了使用ABAQUS建模分析过程中的各种常见问题，并以实例的形式教给读者如何分析问题、查找错误原因和尝试解决办法，帮助读者提高解决问题的能力。 《ABAQUS有限元分析常见问题解答》一书由机械工业出版社出版。 16.1.1 点对面离散与面对面离散 【常见问题16-1】 在ABAQUS/Standard分析中定义接触时，可以选择点对面离散方法(node-to-surface-dis - cre-tization)和面对面离散方法(surface-to-surface discretization)，二者有何差别? 『解答』 在点对面离散方法中，从面(slave surface)上的每个节点与该节点在主面(master surface)上的投影点建立接触关系，每个接触条件都包含一个从面节点和它的投影点附近的一组主面节点。 使用点对面离散方法时，从面节点不会穿透(penetrate)主面，但是主面节点可以穿透从面。 面对面离散方法会为整个从面(而不是单个节点)建立接触条件，在接触分析过程中同时考虑主面和从面的形状变化。可能在某些节点上出现穿透现象，但是穿透的程度不会很严重。 在如图16-l和图16-2所示的实例中，比较了两种情况。
轮轨接触力学
轮轨接触动力学报告 —关于轮轨接触动力学的思考 年级：2013级 专业：载运工具应用工程 姓名：刘新龙 学号：13217021
关于轮轨接触动力学的思考 提高机车运行速度和加大牵引能力是当今世界铁路发展的趋势,而达到这 一目的就必须深入轮轨关系的理论研究,改善机车的粘着利用水平。轮轨关系则是机车车辆、轨道系统中最基本、最复杂的一个问题,是特殊的、典型的三维滚动摩擦接触问题。接触理论始于1882年, 由H. Hertz发表的经典论文《论弹性固体的接触》。他提出了椭圆接触面的假设, 把三维接触问题简化为弹性无限半空间问题。Hertz的研究成果为接触理论奠定了坚实的基础, 但Hertz理论仅局限于无摩擦表面及理想弹性固体, 对于轮轨这样复杂的三维滚动接触问题显然是不能准确求解的。 近几十年来,国内外在轮轨滚动接触问题的理论研究和实验研究方面都取 得了很大进展,但随着铁路技术的不断提高,使用解析解法解决轮轨关系问题的局限性也愈加突出。在高速和重载的要求下,轮轨的波磨问题、疲劳损伤问题变得更加严重,而这些问题的产生都与轮轨间作用力有着直接的关系。因此,在现有轮轨滚动接触理论的基础上,使用有限元方法以精确模拟轮轨的几何形状及 其相互接触关系,将是今后解决轮轨关系问题的主要途径。 不断增长的运输量, 要求铁路必须在保证安全的前提下, 增加货物列车的重量, 提高客运列车的速度和运行品质。因此, 新型机车车辆的设计、制造和线路的建设与维护, 都迫切需要预知轮轨之间的动力作用特性。而现在人类已经能够准确地模拟一个飞行体在宇宙空间的运动并进行精确控制, 但却不能精确摸拟铁路轮轨的相互作用。可见轮——轨关系及车辆——线路相互作用仍然是铁道车辆动力学的中心课题。机车车辆或者列车与铁道线路是一个整体系统, 在这个系统中, 它们相互关联, 相互作用。因此在研究机车车辆动力学性能时, 不能简单地视线路为外激干扰。换言之, 线路也并不存在独立于列车的激扰特性。引起系统产生振动和其它动力作用的是钢轨和车轮的滚动面上实际存在的不平顺和其它几何技术特性,当然还有列车中车辆与车辆之间, 机车与车辆之 间的相互作用。
CAE(计算机辅助工程)是一门复杂的工程科学，涉及仿真技术、软件、产品设计和力学等众多领域。世界上几大CAE公司各自以其独到的技术占领着相应的市场。ABAQUS有限元分析软件拥有世界上最大的非线性力学用户群，是国际上公认的最先进的大型通用非线性有限元分析软件之一。它广泛应用于机械制造、石油化工、航空航天、汽车交通、土木工程、国防军工、水利水电、生物医学、电子工程、能源、地矿、造船以及日用家电等工业和科学研究领域。ABAQUS在技术、品质和可靠性等方面具有卓越的声誉，可以对工程中各种复杂的线性和非线性问题进行分析计算。 《ABAQUS有限元分析常见问题解答》以问答的形式，详细介绍了使用ABAQUS 建模分析过程中的各种常见问题，并以实例的形式教给读者如何分析问题、查找错误原因和尝试解决办法，帮助读者提高解决问题的能力。 《ABAQUS有限元分析常见问题解答》一书由机械工业出版社出版。 16.1.1点对面离散与面对面离散 【常见问题16-1】 在ABAQUS/Standard分析中定义接触时，可以选择点对面离散方法(node-to-surface-dis-cre-tization)和面对面离散方法(surface-to-surfacediscretization)，二者有何差别? 『解答』 在点对面离散方法中，从面(slavesurface)上的每个节点与该节点在主面(mastersurface)上的投影点建立接触关系，每个接触条件都包含一个从面节点和它的投影点附近的一组主面节点。 使用点对面离散方法时，从面节点不会穿透(penetrate)主面，但是主面节点可以穿透从面。 面对面离散方法会为整个从面(而不是单个节点)建立接触条件，在接触分析过程中同时考虑主面和从面的形状变化。可能在某些节点上出现穿透现象，但是穿透的程度不会很严重。 在如图16-l和图16-2所示的实例中，比较了两种情况。
毕业论文文献综述 机械设计制造及其自动化 基于ANSYS的齿轮接触应力有限元分析 一、研究现状及研究主要成果 1. 《基于ANSYS的渐开线啮合齿轮有限元分析》中指出：采用有限元软件ANSYS建立了啮合齿轮的有限元模型，利用ANSYS软件的非线性接触分析功能，对啮合齿轮的接触问题进行仿真，计算出接触应力，为齿轮的强度计算和设计在方法上提供了参考和依据。建立了渐开线圆柱啮合齿轮的三维有限元模型；研究了齿轮系统整体分析中接触对的建立、齿轮加载方式的选择；研究了齿轮副结构有限元分析方法。采用在圆柱面的节点上加切向力来代替力矩的加载方式，对齿轮面接触参数进行设置，并且得到了接触分析的最终结果，说明该有限元建模的方法是可行的，为将来齿轮系统动力学的研究奠定基础。 2.《基于ANSYS的多齿差摆线齿轮有限元分析》中指出：应用ANSYS分析软件对多齿差摆线齿轮进行建模，推导出不同啮合相位角摆线齿轮根部应力计算公式，计算了不同啮合相位角摆线齿轮根部应力，找出齿轮齿根过渡圆弧半径与齿根处最大应力的关系和摆线齿轮根部过渡圆弧半径对齿轮根部应力的影响。摆线齿轮在齿顶啮合时齿轮根部具有最大应力值，采用了过渡圆弧的摆线齿轮齿根危险截面处的最大应力值明显比未采用过渡圆弧的摆线齿轮低，危险截面处的最大应力值随着过渡圆弧半径的增大而减小，当圆弧半径较小时最大应力减小趋势较快，当圆弧半径逐渐增大时应力减小趋势逐渐变缓。 3.《齿轮接触有限元分析》指出：计算接触非线性问题有许多方法，例如罚函数法、拉格朗日乘子法等，其中罚函数法由于其经济和方便而得到广泛使用。过去使用点-点接触单元，求解接触问题，对于象齿轮类接触，模型构造很麻烦，计算结果精度和准确性很难保证。随着计算机和有限元法的发展，新的接触单元法产生精确的几何模型，自动划分网格，适应求解。通过接触仿真分析研究了通用接触单元在轮齿变形和接触应力计算中的应用。建立了一对齿轮接触仿真分析的模型，并使用新的接触单元法计算了轮齿变形和接触应力，与赫兹理论比较，同时也计算了摩擦力对接触应力的影响。计算分析了单元离散、几何、边界范围与加载或约束处理方式的误差，建立了一个计算轮齿变形和接触应力的标准，说明了新的接触单元法的精确性、有效性和可靠性。 4.《渐开线直齿圆柱齿轮有限元仿真分析》中指出：ANSYS软件对齿轮变形和齿根应
ABAQUS有限元接触分析的基本概念 来源：机械工业出版社《ABAQUS有限元分析常见问题解答》 CAE(计算机辅助工程)是一门复杂的工程科学，涉及仿真技术、软件、产品设计和力学等众多领域。世界上几大CAE公司各自以其独到的技术占领着相应的市场。ABAQUS有限元分析软件拥有世界上最大的非线性力学用户群，是国际上公认的最先进的大型通用非线性有限元分析软件之一。它广泛应用于机械制造、石油化工、航空航天、汽车交通、土木工程、国防军工、水利水电、生物医学、电子工程、能源、地矿、造船以及日用家电等工业和科学研究领域。ABAQUS在技术、品质和可靠性等方面具有卓越的声誉，可以对工程中各种复杂的线性和非线性问题进行分析计算。 《ABAQUS有限元分析常见问题解答》以问答的形式，详细介绍了使用ABAQUS建模分析过程中的各种常见问题，并以实例的形式教给读者如何分析问题、查找错误原因和尝试解决办法，帮助读者提高解决问题的能力。 《ABAQUS有限元分析常见问题解答》一书由机械工业出版社出版。 16.1.1 点对面离散与面对面离散 【常见问题16-1】 在ABAQUS/Standard分析中定义接触时，可以选择点对面离散方法(node-to-surface-dis- cre-tization)和面对面离散方法(surface-to-surface discretization)，二者有何差别? 『解答』 在点对面离散方法中，从面(slave surface)上的每个节点与该节点在主面(master surface)上的投影点建立接触关系，每个接触条件都包含一个从面节点和它的投影点附近的一组主面节点。 使用点对面离散方法时，从面节点不会穿透(penetrate)主面，但是主面节点可以穿透从面。 面对面离散方法会为整个从面(而不是单个节点)建立接触条件，在接触分析过程中同时考虑主面和从面的形状变化。可能在某些节点上出现穿透现象，但是穿透的程度不会很严重。 在如图16-l和图16-2所示的实例中，比较了两种情况。
第20卷第2期2003年4月 计算力学学报 C hinese Journal of Computational Mechanics V ol.20,N o.2April 2003 文章编号:1007-4708(2003)02-0189-06 齿轮接触有限元分析 杨生华 (煤炭科学研究总院上海分院,上海200030) 摘 要:通过接触仿真分析研究了通用接触单元在轮齿变形和接触应力计算中的应用。建立了一对齿轮接触仿真分析的模型,并使用新的接触单元法计算了轮齿变形和接触应力,与赫兹理论比较,同时也计算了摩擦力对接触应力的影响。计算分析了单元离散、几何、边界范围与加载或约束处理方式的误差,建立了一个计算轮齿变形和接触应力的标准,说明了新的接触单元法的精确性、有效性和可靠性。关键词:接触单元;轮齿变形;接触应力;计算标准;仿真分析中图分类号:T P 391 文献标识码:A 收稿日期:2001-04-28;修改稿收到日期:2002-06-24. 基金项目:上海自然科学基金资助项目. 作者简介:杨生华(1963-),男,硕士生,工程师. 1 引 言 计算接触非线性问题有许多方法,例如罚函数法、拉格朗日乘子法等,其中罚函数法由于其经济和方便而得到广泛使用。过去使用点-点接触单元,求解接触问题,对于象齿轮类接触,模型构造很麻烦,计算结果精度和准确性很难保证。随着计算机和有限元法的发展,新的接触单元法产生精确的几何模型,自动划分网格,自适应求解。新的单元计算精度更高,更有效,功能更强大。其中接触单元能非常有效地求解接触非线性问题,新的通用接触单元(包括点-面和面-面单元)特别适合于计算齿轮接触问题。在微机上能实现齿轮接触仿真分析,大大地促进了齿轮C AE 的形成和发展。 轮齿变形的有限元分析20世纪70年代已开始,但仅仅计算挠曲变形。接触变形和接触应力的有限元分析在20世纪90年代才真正开始。总之,过去的计算是基于试验的计算方法,计算方法是简化的、近似的,不够精确更不够可靠;没有使用有限元法研究轮齿接触变形和应力,并说明与赫兹变形和应力之间的差别,没有分析计算误差,没有考虑齿轮本体变形对轮齿变形的影响,没有计算摩擦力对接触应力的影响。 文中使用AN SYS 大型通用有限元分析软件,在个人计算机上建立齿轮接触仿真分析模型。通过两圆柱赫兹接触变形和应力验证其有效性和精度,分析计算了一对直齿轮的轮齿变形和接触应力,说 明了新的接触单元法的精确性、有效性和可靠性。建立了一个计算轮齿变形和接触应力的标准或基准,给力学研究和机械设计人员一个参考。 2 通用接触单元的赫兹计算 为了检验通用接触单元的有效性和精确性,赫兹计算验证是必要的。两无限长圆柱有限元计算网格模型如图1所示。结构单元是具有附加形状函数的四节点等参单元(一次单元)。图中接触处网格边长为二十分之一接触半宽,该模型节点为7444,单元为7280(其中接触单元为80个点-面单元)。计算参数和结果如表1所示,理论结果按公式(1)-(4)计算[1]。计算结果表明:有限元计算结果和理论计算结果一致,两圆柱变形计算误差仅分别为0.08%和0.045%。注意到公式(2)、(4)是按赫兹接触半无限空间推导的公式,因而是理论近似的(变形误差为 1.7%、0.6%,应力误差为0.6%、0.4%),在接触点不远处一点的变形和应力与有限元计算结果基本一致,有限元计算结果略大于公式(2)和(4)与理论一致[1]。
通用显式非线性有限元程序：LS-DYNA LS-DYNA 是世界上最著名的通用显式非线性有限元分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的碰撞、金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。 LS-DYNA 是功能齐全的几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（140多种材料动态模型）和接触非线性（50多种）软件。它以Lagrange 算法为主，兼有ALE 和Euler 算法；以显式求解为主，兼有隐式求解功能；以结构分析为主，兼有热分析、流体-结构耦合功能；以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能（如动力分析前的预应力计算和薄板冲压成型后的回弹计算）;是通用的结构分析非线性有限元程序。 特色功能 ? 显式求解为主，兼有隐式算法，适合于求解高度非线性问题； ? 具有多种求解算法，以Lagrange 算法为主，兼有ALE、Euler 算法、SPH （Smoothed Particle Hydrodynamics）光顺质点流体动力算法和边界元法BEM（Boundary Element Method）； ? 具有160多种材料模型，是材料模型非常丰富的有限元软件； ? 具有50多种接触类型，是接触类型非常齐全的有限元软件； ? 极好的并行计算能力，包括分布式并行算法（MPP）和共享内存式并行（SMP）； ? 良好的自适应网格剖分技术，包括自适应网格细分和粗化； ? 行业化的专用功能：如针对汽车行业的安全带单元、滑环、预紧器、牵引器、传感器、加速计、气囊等。 客户价值 ? 拥有显式和隐式算法，各向异性材料模型，使得板成型、回弹、预应力计算等，可以连续求解； ? 多种控制选项和用户子程序使得用户在定义和分析问题时有很大的灵活性； ? MPP 版本大幅度减少计算时间，计算效率随计算机数目增多而显著提高； ? 与大多数的CAD/CAE 软件集成并有接口。 广州有道科技培训中心 h t t p ://w w w .020f e a .c o m
基于ANSYS与ABAQUS的赫兹接触问题 有限元分析对比 郭波 [长春设备工艺研究所，长春130012] [ 摘要] 分别应用ANSYS软件与ABAQUS软件求解某精密部件的赫兹接触问题，并通过实验结果验证有限元分析结果的计算精度，结果显示ANSYS软件在求解精密部件的赫兹接触问题方面具 有较高的求解精度。 [ 关键词]ANSYS，ABAQUS，赫兹接触，有限元 Finite element analysis of Hertz contact problem based on ANSYS and ABAQUS GUO Bo [Changchun Equipment &Technology Research Institute , Changchun 130012] [ Abstract ] Solve Hertz contact problem both using ANSYS and ABAQUS, then verificate the computational accuracy of the Finite element analysis. The result shows, it has higher calculation precision in terms of Hertz contact problem of ANSYS in solving precision components. [ Keyword ] ANSYS，ABAQUS, Hertz contact, Finite element analysis 1前言 接触分析能够解决典型的状态非线性问题，在工程中应用广泛。由于传统的赫兹接触理论是在许多假设的前提下推导的近似解，而且在许多场合这些假设的前提是不成立的，因此运用赫兹理论来解决接触问题存在一定的局限性。近年来，随着计算机技术的普及，各种商用有限元分析软件逐步发展，有限元方法已成为应用广泛并且实用高效的求解接触问题的数值分析方法。ANSYS软件和ABAQUS软件是工程中应用最广泛的商用有限元分析软件。ANSYS软件是融合结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对
过盈配合应力的接触非线性有限元分析 摘要基于非线性有限元软件MARC，提出过盈配合应力的动态和静态两种有限元分析方法，并以铁道车辆某高速轮对组装的过盈装配为例进行了有限元仿真计算，比较了两种方法的计算结果，分析了过盈量、摩擦系数、形状误差对装配应力的影响，结果对于确定合理过盈量和改进加工工艺具有参考意义。 关键词过盈配合接触非线性接触应力 0 引言 在机械工程实际中普遍采用过盈配合来传递扭矩和轴向力，例如轴承配合、轴瓦配合、铁道车辆的轮轴、制动盘等。它是利用过盈量产生半径方向的接触面压力，并依靠由该面压力产生的摩擦力来传递扭矩和轴向力。由于过盈配合两个相配合的接触面上不能粘贴应变片，因此难以对其应力状态进行测定，对整个组装过程的应力状态更难以进行跟踪研究，而且这种配合方式往往承受着交变载荷的作用，配合面间可能发生相对滑动，这一滑动是随着应力变化而变化的，因而配合面边缘的接触状态和应力状态也随着应力的交变而变化，表现出复杂的状态，因此一般只能凭经验确定采用的过盈量。从力学角度看，这类问题属于接触非线性问题，传统的弹性接触解法已难以处理，可采用光弹性模拟实验进行研究，但只能反映应力分布趋势。近年来，随着非线性理论的不断完善和计算机技术的飞速发展，利用非线性有限元法来分析这类问题已日趋成熟。 铁道车辆随着向高速、重载不断发展，对轮轴的安全性要求也越来越高。研究表明，轮轴配合部位的应力状态对车轴的疲劳强度具有重要的影响，因此对轮对配合部位的宏观接触应力状态进行研究将有助于指导轮对制造标准的制定、高速重载轮对的设计和加工工艺的改进，以提高轮对的抗疲劳性能。 本文利用著名非线性有限元软件MARC，针对过盈配合的压力压装法和温差组装法对这类问题提出动态和静态两种仿真计算方法，并以铁道车辆某高速轮对的配合为例进行了计算，对比了两种计算方法的结果，分析了过盈量、摩擦系数、形状误差等因素对装配应力的影响。 1 过盈装配接触非线性问题的求解方法 1．1 接触非线性问题的求解方法 过盈问题是接触问题的一种，属于边界条件高度非线性的复杂问题，其特点是在接触问题中某些边界条件不是在计算开始就可以给出，而是计算的结果，两接触体间的接触面积和压力分布随外载荷的变化而变化，同时还包括正确模拟接触面间的摩擦行为和可能存在的接触传热。用有限元法解接触问题以往常采用的物理模型是节点对模型，即将两接触物体的接触面划分成相同的网格，组成一一对应的节点对，并假定两接触体的接触力通过节点对传递，这种模型需预先知道接触发生的确切部位，以便施加边界单元，对于结构复杂问题和考虑摩擦的动态接触问题，点对模型将给结构离散和方程求解带来极大困难，从而难以解决。近年来提出的点面接触模型是把两接触体分为主动体和被动体，在分析时研究主动体的节点与被动体接触表面上相接触的自由度关系及变形的一致关系，从而确定接触边界条件，然后从边界变形协调的变分原理出发，建立整个接触系统的控制方程。这种模型能有效处理复杂接触表面和动态接触问题。
第五章接触问题的非线性有限元分析 5.1引言 在工程结构中，经常会遇到大量的接触问题。火车车轮与钢轨之间，齿轮的啮合是典型的接触问题。在水利和土木工程中，建筑物基础与地基，混凝土坝分缝两侧，地下洞室衬砌与围岩之间，岩体结构面两侧都存在接触问题。对于具有接触面的结构，在承受荷载的过程中，接触面的状态通常是变化的，这将影响接触体的应力场。而应力场的改变反过来又影响接触状态，这是一个非线性的过程。由于接触问题对工程实践的重要性，本章将作为专门问题进行研究。 最早对接触问题进行系统研究的是H. Hertz，他在1882年发表了《弹性接触问题》一书中，提出经典的Hertz弹性接触理论。后来Boussinesg 等其他学者又进一步发展了这个理论。但他们都是采用一些简单的数学公式来研究接触问题，因而只能解决形状简单（如半无限大体）、接触状态不复杂的接触问题。 二十世纪六十年代以后，随着计算机和计算技术的发展，使应用数值方法解决复杂接触问题成为可能。目前，分析接触问题的数值方法大致可分为三类：有限元法、边界元法和数学规划法。 数学规划法是一种优化方法，求解接触问题时，根据接触准则或变分不等式建立数学模型，然后采用二次规划或罚函数方法给出解答。 边界元方法也被用来求解接触问题，1980年和1981年，Anderson先后发表两篇文章，用于求解无摩擦弹性接触和有摩擦弹性接触问题。近年来虽有所发展，但仍主要用于解决弹性接触问题。 就目前的发展水平来看，数学规划法和边界元法只适合于解决比较简单的弹性接触问题。对于相对复杂的接触非线性问题，如大变形、弹塑性接触问题，还是有限元方法比较成熟、比较有效。 早在1970年，Wilson和Parsons提出一种位移有限元方法求解接触问题。Chan和Tuba，Ohte等进一步发展了这类方法。它的基本思想是假定接触状态，求出接触力，检验接触条件，若与假定的接触状态不符，则重新假定接触状态，直至迭代计算得到的接触状态与假定状态一致为止。具体做法是： 对于弹性接触的两个物体，通过有限元离散，建立支配方程 1 1 1 R δ K=(5.1) 式中， 1 K为初始的整体劲度矩阵，它与接触状态有关，通常根据经验和实 际情况假定。 1 δ是结点位移列阵， 1 R为结点荷载列阵。 求解式（5.1），得到结点位移 1 δ，再计算接触点的接触力 1 P，将 1 δ和1 P代入与假定接触状态相应的接触条件，如果不满足接触条件，就要修改 接触状态。根据修改后新的接触状态，建立新的劲度矩阵 2 K和支配方程 2 2 2 R δ K=(5.2) 再由式（5.2）解得 2 δ，进一步计算接触力 2 P，将 2 δ和 2 P代入接触条件， 验算接触条件是否满足。这样不断的迭代循环，直至 n δ和 n P满足接触条件为止，此时得到的解答就是真实接触状态下的解答。