第四章  接觸狀態(tài)下疊片的強(qiáng)度分析

4.1  接觸問題

接觸問題是一類非線性問題，它屬于邊界條件非線性問題，在接觸問題中邊界條件不是在計算開始前就可給出，它們是計算結(jié)果，兩接觸體間接觸面的面積與壓力分布隨外載變化而變化并與接觸體的剛性有關(guān)，這是接觸問題的特點(diǎn)，也是它的難點(diǎn)。

為了求解接觸問題，必須解決四方面問題：

（1）物理模型：采用什么樣的模型來描述兩接觸體之間的傳遞以及在不同載荷下接觸狀態(tài)的變化。

（2）幾何運(yùn)動規(guī)律：在接觸面上兩物體位移必須滿足的條件。

（3）本構(gòu)規(guī)律：在接觸面上力與位移或壓力與切向力之間關(guān)系。

（4）建立方程與求解的方法：如何建立數(shù)學(xué)方程描述以上各規(guī)律并使系統(tǒng)處于平衡以及如何求解該方程。

APOLANS采用了點(diǎn)面接觸的力學(xué)模型，當(dāng)兩物體相互接觸時。為了方便指定其中之一為主動體（contact body or master body,它不允許是剛體），另一物體為被動體（target body or slave body它可為剛體）。它的出發(fā)點(diǎn)是研究主動體一個接觸節(jié)點(diǎn)與被動體而元上任何一點(diǎn)相接觸時的情況，以此建立力學(xué)計算模型。

在建立接觸控制方程時，采用了如下一些基本條件與假設(shè)：

1）主動體內(nèi)任何節(jié)點(diǎn)不允許在被動體內(nèi)，但被動體的某些節(jié)點(diǎn)允許在主動體內(nèi)，

2）兩接觸體在接觸面上的接觸力靜力相等

3）對于每個物體，支反力必須與外力、慣性力、接觸力相平衡

4）仍采用庫侖磨擦定律，靜與動磨擦系數(shù)可采用不同的值

在對疊片進(jìn)行接觸表面離散化，確定下接觸邊界條件，然后由帶接觸邊界變形協(xié)調(diào)的變分原理出發(fā)，建立整個接觸系統(tǒng)的控制方程。求解控制方程并由接觸面上節(jié)點(diǎn)的平衡得到節(jié)點(diǎn)的接觸力，由節(jié)點(diǎn)接觸力求出接觸表面。單元上的當(dāng)量分布力并進(jìn)而求出單元合力，由單元合力判斷兩接觸表面單元的接觸情況，再進(jìn)一步判斷主動網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的接觸狀態(tài)，根據(jù)新的接觸狀態(tài)修正控制方程，如果判斷尚未收斂，對新的控制方程重復(fù)上述過程，反復(fù)迭代，直至收斂。

4.1.1  接觸體的物理模型

一、表面離散比

由于APOLANS 程序所使用的為接觸面與接觸面對為對象建立的計算模型。一個主動體上的節(jié)點(diǎn)可能在被動體的接觸面上任意點(diǎn)處與之接觸，在有限元中則需把所有連續(xù)分布的參量離散化并等價到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上，因此需對被動接觸面上的實際接觸點(diǎn)的坐標(biāo)及位移值進(jìn)行插值。

上圖為三維狀態(tài)下的接觸表面離散化，由于采用了線性等參插值，表面單元為4節(jié)點(diǎn)等參元。主動體一節(jié)點(diǎn)k可能在被動體上任意一點(diǎn)p 與之接觸，p 點(diǎn)坐標(biāo)、位移、當(dāng)量力等均應(yīng)按有限元網(wǎng)格各節(jié)點(diǎn)值表示，被動接觸面的一個四邊形單元假定由四個具有共同頂點(diǎn)O （局部坐標(biāo)r=O 、s= 0）的三角形所組成。在ABC 三角形內(nèi)一點(diǎn)P的面積（自然）坐標(biāo)。

式中x 為總體坐標(biāo)，下標(biāo)A 、B 、C 、D 分別代表單元四個角點(diǎn)，P 表示被動體實際接觸點(diǎn)α,β,γ為三角形面積坐標(biāo)，t＋△t表示求解時刻。

二、接觸邊界協(xié)調(diào)條件

兩物體接觸可能出現(xiàn)三種狀態(tài)：

（1）粘式：兩物體接觸的點(diǎn)無相對運(yùn)動，變形前后接觸點(diǎn)的局部坐標(biāo)值相同。

（2）滑移：兩物體相接觸，但變形后接觸點(diǎn)間沿接觸面切向有相對運(yùn)動，沿接觸面法線方向兩接觸點(diǎn)坐標(biāo)相同。

（3）開式：兩物體某些表面未接觸，但隨物體變形可能會接觸或已接觸的部位隨物體變形而脫離接觸，此時接觸約束釋放。

在一個接觸面對中，不同部位可能有不同接觸狀態(tài)，因而有不同的變形一致條件。

由上圖，在粘式情況下在接觸邊界上變形一致條件：

l+△t_△k(l)= l+△t_xk(l)+ l+△t_xp(l)          （4.1.2a）

△k^（1）為主動接觸點(diǎn)k 處的材料重疊矢量

對于滑移情況，沿被動接觸元法線方向主動接觸節(jié)點(diǎn)k 與被動接觸點(diǎn)p 坐標(biāo)應(yīng)相同而切線方向有相對運(yùn)動。

n^T_J△k=n^T_J(l+△t_xk^(l)-l+△t_xp^(l))        (4.1.2b)

n 為接觸單元局部坐標(biāo)的單位矢量，T為轉(zhuǎn)釋符號。

即僅有一個自由度受變形一致條件約束，于是前兩式可合成為下式：

對于開式情況不存在變形一致條件。

4.1.2  考慮接觸邊界條件的約束變分原理及系統(tǒng)的控制方程

一、約束變分原理

考慮接觸邊界條件時的虛功原理為：

系統(tǒng)的總虛功取極值

在S_σ力邊界上，滿足靜力邊界條件

T_l=                        (4.1.4)

上式右邊為外力，左邊為i點(diǎn)從內(nèi)力并滿足

T_l=σ_ijn_j                     (4.1.5)

在幾何邊界S_H上滿足位移邊界條件

u_i=                         (4.1.6)

上式右邊為外加指定位移。

對于接觸而言還應(yīng)滿足：在接觸邊界上滿足式（4.1.2）的協(xié)調(diào)條件：

C_T=(X_K⁽ⁱ⁾-x_p⁽ⁱ⁾-Δk⁽ⁱ⁾)=0                 (4.1.7)

將式（4.1.7）的約束條件用拉格日法代入式（4.1.3）構(gòu)成修正的勢能，然后取級駐值，這樣修正后的泛函為：

Π_mp=Π-Π_c                     (4.1.8)s

Πc =               (4.1.9)

其中λ為拉式乘子，Σ表示對所有主動接觸節(jié)點(diǎn)求和，

對修正勢能Π_mp求駐值

δΠ_mp=δΠ-δΠ_c              (4.1.10)

由此可得控制方程，其中右邊第二項為接觸狀態(tài)下控制方程補(bǔ)充項，由于討論問題的非線性性質(zhì)，宜采用增量形式的變分原理。設(shè)t時刻系統(tǒng)的狀態(tài)己知，求解的目的是求t＋△t時刻系統(tǒng)各物理參數(shù)值。

則增量形式表達(dá)式t＋△t第i+1次迭代

式中△u_p⁽ⁱ⁺¹⁾, △q_k⁽ⁱ⁺¹⁾表示第i+1迭代步P點(diǎn)及R點(diǎn)位移增量，由式(4.1.11)(4.1.12)得

C_l^T△u_p⁽ⁱ⁺¹⁾= C_l^T(△k⁽ⁱ⁾+ △q_k⁽ⁱ⁺¹⁾)             (4.1.14)

此式即為增量形式接觸面變形協(xié)調(diào)條件表達(dá)式。

二．接觸勢能及接觸項導(dǎo)出

一）粘式接觸下的接觸勢

在i+1步k節(jié)點(diǎn)與被動體粘式接觸情況下，k與p點(diǎn)坐標(biāo)應(yīng)相同

1+△t_xk⁽ⁱ⁺¹⁾=1+△t_xp⁽ⁱ⁺¹⁾             (4.1.15)

將式（4.1.1）代入式（4.1.2得）

上式為三維粘式接觸的位移協(xié)調(diào)條件增量形式。

按式（4.1.9）引入拉氏乘子，

λ_r⁽ⁱ⁺¹⁾= λ_r⁽ⁱ⁾+ △λ_k⁽ⁱ⁺¹⁾            (4.1.17)

上式代入（4.1.9）并取變分得

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