三维弹性接触问题的接触面单元法

基于虚功原理，推导了三维接触面单元的刚度矩阵，并引进预留单元的概念，避免了接触过程中由于接触面变化节点和单元需要重新编号的麻烦．文中算例验证了计算方法的有效性     

弹性接触过程分析的有限元数值模拟

本文针对机械行业中的弹性接触问题，在有限元分析中，引主接触面单元和预留单元。以滚针轴承为例，对接触问题进行了深入的探讨，为准确地描述两接触体之间相互作用及变形协调的接触过程，提供了一种新方法。     

一类基于点-面模式的低阶单元接触搜索方法

本文基于三个接触搜索准则提出接触预搜索概念。在接触预搜索阶段通过分级筛选方法逐步缩上可能接触点副的单元集;然后,给出动态有限元分析中适用分析中适用于大骨移的低阶单元接触点副的自动搜索算法。针对非线性动态接触问题有限元分析中常用低阶单元和点－面模式的搜索方式的情况,本文应用最近点投影搜索算法提出似以等参坐标为参数的另一种接触搜索算法。该搜索算法不须预先指定可能接触范围,从而极大地降低了数据的准备工作     

采用二次等参体元时的接触判据

当二次等参体元用于分析接触问题时,接触面上节点集中接触力不同号给建立接触判据造成困难。本文建立了由节点集中接触力计算接触面上分布接触力节点值的方法,从而可顺利建立接触判据。此方法已成功应用于工程中的弹性固体接触问题分析,文末给出了一个计算实例。     

考虑等效曲率的超二次曲面单元非线性接触模型

基于连续函数包络的超二次曲面单元可有效地描述自然界和工业生产中的非球体颗粒形态, 并通过非线性迭代方法精确计算单元间的接触力. 对于具有复杂几何形态的超二次曲面单元, 线性接触模型不能准确地计算不同接触模式下的作用力. 考虑超二次曲面单元相互作用时不同颗粒形状及表面曲率的影响, 本文发展了相应的非线性黏弹性接触模型. 该模型将不同接触模式下的法向刚度和黏滞力统一表述为单元间局部接触点处等效曲率半径的函数; 切向接触作用则借鉴基于Mohr-Coulomb摩擦定律的球体单元非线性接触模型的计算方法. 为检验超二次曲面单元接触模型的可靠性, 对球形颗粒间的法向碰撞、椭球体颗粒间的斜冲击过程、圆柱体的静态堆积和椭球体的动态卸料过程进行离散元模拟, 并与有限元数值结果及试验结果进行对比验证. 计算表明, 考虑接触点处等效曲率半径的超二次曲面非线性接触模型可准确地计算单元间的接触碰撞作用, 并合理地反映非球形颗粒体系的运动规律. 在此基础上进一步分析了不同长宽比和表面尖锐度对卸料过程中颗粒流动特性的影响, 为非球形颗粒材料的流动特性分析提供了一种有效的离散元方法.      

一种新的三维动力接触约束单元

本文应用广义变分原理，利用拉氏乘子法和罚函数法计入接触约束条件修正，建立了分析三维动力接触问题的一般有限元分析的理论模式；推导了处理这类问题的一种新的接触约束单元的接触刚度矩阵；采用增量求解模型解，研编了实施程序３ＤＤＣＦ；处理了方程中的病态问题、碰撞及能量释放条件问题。进行了算例考核，还首次给出了一个三维动力接触问题的算例结果。     

不同材料交界面上接触应力的有限元分析

工程中有许多不同材料组成的结构。对这类复合结构，正确计算材料交界面上的接触应力是非常重要的。通常的位移有限元法得到的应力是不连续且欠准确的。本文提出了一种新的用于不同材料交界面处的接触单元。应用虚位移原理和结合考虑材料交界面上的约束条件，文章建立了接触单元的刚度矩阵和等效荷载向量。该单元具有算法简单，程序容易实现的优点。计算实例证实了该单元的实用性和可靠性。     

厚钣金件压弯翻边与回弹的数值研究

在独立研制的板材冲压成形性分析软件KMAS中，组入可有效模拟厚钣金件压弯成形与回弹变形的三维退化曲壳单元模型，简述了考虑凹，凸模间隔可变的基于有限元网格双面接触算法以及回弹的处理技术，数值研究了铁路客车牵引架厚钣金件压弯翻边与回弹变形过程，并将压弯过程模拟结果与国外基于单面接触算法的商品化软件的模拟结果以有实验结果进行比较，最后，给出了该类问题回弹量的预示方法。     

齿轮接触有限元分析

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法、有效性和可靠性。     

三维板料成形过程的显式有限元分析

本文采用基于随动坐标系的假定应变域壳单元及显式有限元格式求解三维板料成形问题。板材料服从Ｈｉｌ各向异性弹塑性准则，板料与模具之间的接触界面由主仆面接触搜寻法处理，接触力由罚参数法计算。文中给出了几个三维成形过程的计算实例。数值算例表明，本文方法具有较高的计算精度和计算效率，可在微机上分析中等复杂程度的成形过程     

CRACK FACE CONTACT PROBLEM ANALYSIS USING THE SCALED BOUNDARY FINITE ELEMENT METHOD

比例边界有限元侧面上有任意荷载时,将侧面载荷分解成关于径向方向局部坐标的多项式函数的和,推导给出了考虑侧面载荷存在的新型形函数,并基于该形函数推导了刚度矩阵和等效节点载荷列阵.首次对比例边界有限元法求解裂纹面接触问题进行了研究,运用Lagrange乘子引入接触界面约束条件,推导给出了比例边界有限元求解裂纹面接触问题的控制方程.将裂纹面单元分为非裂尖单元和含有侧面的裂尖单元.在非裂尖单元中的裂纹面,裂纹面作为多边形单元的边界,边界上的接触力可等效到节点上,通过在节点上构造Lagrange乘子,采用点对点接触约束进行处理.对于含有侧面的裂尖单元,在整个侧面上构造Lagrange乘子的插值场,采用边对边接触约束进行处理.对三个不同的接触约束状态下的算例进行了数值计算,通过与解析解及有限元软件ABAQUS计算结果的对比,验证了本文提出的比例边界有限元点对点和边对边接触求解裂纹面接触问题的精确性与有效性.     

接触分析的光滑模型及迭代算法

利用变分不等式和基于信息熵的凝聚函数把有摩擦接触问题模型化为一个标准的凸二次规划问题,极大地简化了这一复杂的问题,同时引入摩擦方向约束并构造了以无摩擦解为初值的迭代算法,在较摩擦系数时计算也能保证收敛,算例表明算法高效可靠。     

摩擦接触弹塑性分析的数学规划法

本文提出摩擦接触弹塑性分析的数学规划法,是弹性接触问题解法的推广,使之能处理比例加载时的塑性效应。利用所导出接触问题总刚度阵的逆,结合参变量线性互补公式,仍可消去由接触单元而引入的惩罚因子。于是,可以获得一个弹塑性问题、弹性接触和弹塑性接触问题的有限元参数二次规划法模型。所选的几个实例说明了方法的实用性。     

摩擦接触问题的比例边界等几何B可微方程组方法

摩擦接触问题是计算力学领域最具挑战性的问题之一,接触系统的泛函具有非线性、非光滑的特点,导致接触算法的收敛性与精确性难以保证.因此将比例边界等几何分析(scaled boundary isogeometric analysis,SBIGA)与B可微方程组(B dierential equation,BDE)相结合,提出了求解二维摩擦接触问题的比例边界等几何B可微方程组方法.在比例边界等几何坐标变换的基础上,通过虚功原理推导了关于边界控制点变量的接触平衡方程,表示成B可微方程组形式的接触条件可被严格满足,求解B可微方程组的算法的收敛性有理论保证.此比例边界等几何B可微方程组方法(SBIGA-BDE)只需在接触体边界进行等几何离散,使问题降低一维,能精确描述接触边界,并可通过节点插入算法进行真实接触区域的识别.此外,由于几何建模和数值分析使用相同的基函数,节约了划分网格的时间.以赫兹接触问题和悬臂梁摩擦接触问题为例,通过与解析解及数值计算软件ANSYS计算结果进行对比,验证了该方法求解二维摩擦接触问题的有效性及高精度等特点.      

接触碰撞动力学的多变量选取方法

在柔性多体的接触碰撞动力学问题中,多变量方法基于附加约束的接触模型,将柔性体的变形用不同变量来描述：接触局部区域的变形用有限元节点坐标描述,非接触局部区域的变形用模态坐标描述,兼顾了计算精度和效率. 将该方法推广到三维空间碰撞问题,对两柔性杆纵向碰撞过程进行动力学仿真,数值结果与实验结果吻合良好,验证了该方法的有效性. 针对柔性体各自区域的变量如何选取的问题,研究了节点取法、模态阶数以及材料参数对计算结果精度的影响,寻找到合理的多变量选取方法,保证精度的同时使自由度得到最大程度的缩减.     

粗糙表面之间接触热阻反问题研究

当两个固体表面相互接触时,由于接触面粗糙度的影响,界面间就形成了非一致接触,这种接触导致热流收缩,进而产生接触热阻. 目前的理论研究主要集中在正问题研究,对反问题的研究相对较少. 接触热阻反问题研究是通过研究部分边界温度、热流和部分测量点的温度来反演得到界面上的接触热阻. 反问题研究在很多工程领域都有应用,如航空航天、机械制造、微电子等,是工程中确定接触热阻一种快速有效的方法. 本文采用边界元法和共轭梯度法研究了二维空间随坐标变化的接触热阻反问题. 为了验证方法的准确性和可行性,假定在已知部分测量点温度和真实接触热阻的情况下,反演计算得到界面的温度和热流,进而得到接触热阻,并与真实接触热阻进行比较. 结果表明采用边界元法和共轭梯度法在无测量误差的情况下,可以准确反演获得界面的真实接触热阻. 若存在测量误差,反演计算结果对测量误差极其敏感,反演结果误差会由于测量误差的引入而被放大. 为处理这种不适定性, 采用最小二乘法对反演计算结果进行校正,结果表明采用最小二乘法能够避开反问题中一些偏离实际值较大的测量点,显著提高反演计算结果的准确性.      

钢丝绳捻制成形接触问题的有限元分析

基于虚功原理建立了钢丝绳捻制成形过程中考虑接触摩擦时的刚度方程,将小球分裂算法用于接触搜索,Augmented Lagrange法用于计算接触力．以钢丝绳一次捻制成形过程为例,分析了摩擦系数和自扭转系数对接触应力和加工应力域变的影响．研究结果表明。摩擦系数对剪应力的影响比对等效应力和等效塑性应变的影响大;考虑摩擦时钢线表面的轴向残余应力计算结果比无摩擦条件下的计算结果更接近实验结果．