接触摩擦单元的理论及其应用

本文在Ｋａｔｏｎａ的基础上提出以新接触摩擦单元直接取节点接触应力作为基本未知量，模拟两物体间的摩擦滑动、张开和闭合过程。接触单元的几何和静力约束条件在刚度方程中作为补充方程。运用虚位移原理导出了适用的等效单元刚度－约束矩阵，并给出了相应的对称化方法，使该单元具有容易与标准有限元程序联接和计算稳定的优点。计算的结果与理论解非常吻合。作为应用实例，还研究了节理对混凝土坝基的影响。     

有初始间隙摩擦接触问题的有限元混合法

针对三维有初始间隙摩擦接触问题,提出了一种新的迭代求解方法--有限元混合法。根据接触问题局部非线性的特点,将作用在接触体上的力系分解为外力和接触界面上的接触力,以接触体的位移为基本未知量,而以接触区域局部坐标系下的结点接触力为迭代变量,将非线性接触迭代收缩在可能接触面上进行,把复杂的摩擦接触非线性反映在接触力的变化上,使得迭代计算变得简单易行,并且对于存在多个接触界面的多体接触问题,可以保持柔度矩阵的对称性和稀疏性,大大提高了计算效率。文中首先给出了三维有初始间隙摩擦接触问题的力学模型,推导得出了相应的有限元柔度方程,然后详细给出了迭代求解步骤。最后通过两个数值算例来验证本文方法的正确性和有效性。     

玻璃幕墙中扣座压板之间接触受力性能研究

扣座压板装饰结构形式存在于玻璃幕墙中玻璃的外表面,是一种装饰结构,但随着其外形尺寸的增大,承载性能和受力情况也变得复杂,其二者接触分析方面的研究还很少。本文借鉴接触摩擦理论的研究方法,根据实际工程中的扣座与压板简化后建立了有限元模型,对扣座与压板之间接触形式、法向接触刚度因子、表面摩擦系数等进行了有限元分析。通过二者之间的接触问题进行了有限元分析,为进一步的优化设计、改进结构和实际工程设计提供了参考依据。     

采用通用有限元法分析组合板的剪切机理

混凝土-冷弯异型钢组合板的强度取决于钢-混凝土界面的纵向剪切破坏。在目前设计过程中,通常采用的纵向剪切强度设计方法,如them-k法和部分交互法,均基于足尺试验,经济性差,耗时长,且仍是半经验的。建立组合板的通用有限元法,将钢-混凝土剪切面作为接触问题,考虑粘贴和摩擦。在分析模型中考虑几何非线性和材料非线性。进行推出试验,验证初步有限元分析,并考虑接触面的粘贴和摩擦。采用本接触模型对组合板的受弯性能进行有限元分析。通过对比组合板的推出试验和弯曲试验,对基于非线性接触理论的有限元分析进行验证。结果表明:基于界面接触模型的有限元分析与试验结果吻合较好,可用于分析组合板的性能和极限承载力。     

加筋土挡墙非线性有限元分析

采用分离式有限元模式，通过引入筋-土、面板-土、面板-面板接触单元，建立由土体单元、接触单元、面板单元和加筋材单元组合的加筋土挡墙有限元模型，对加筋土挡墙进行非线性分析。有限元计算值与试验值和工程实例实测值相吻合，表明该方法正确有效，可为实际工程设计提供一定参考。     

新建连镇铁路桩板结构下穿京沪高铁影响分析

以新建铁路连云港至镇江线下穿京沪高铁实例为背景,利用有限元程序Midas/GTS NX对新建桩板结构建立弹塑性有限元模型进行施工阶段分析。桩端持力层为粉质黏土,桩基为摩擦桩,为了分析摩擦桩与土层之间的相互作用,建立桩-土接触单元来模拟桩土间的接触作用,以桩端单元模拟桩端土的支撑力。分析基坑开挖、桩基施工、桩板及上部结构施工、运营阶段等不同施工阶段对京沪高铁的影响。计算结果表明:桩板结构的施工对既有京沪高铁的影响很小。     

基于有限元的云南木结构民居榫卯节点的静力性能分析

云南典型的木结构民居通常采用榫卯连接,文章采用有限元软件ABAQUS建立带榫卯连接的单间一榀的木构架计算模型,通过摩擦接触模拟榫卯节点,并分析得出木构架及榫卯节点在竖向静力荷载作用下的应力及变形状态。     

某海上测风塔灌浆连接设计

以实际工程为例,参考相关规范和资料,对海上测风塔基础导管架与桩基的灌浆连接设计进行详细阐述,同时采用ANSYS软件建立有限元模型,采用三维接触单元,考虑灌浆体与钢管表面的接触滑移摩擦等非线性行为,进行了详细计算分析,可为同类工程提供参考。     

复合桩基础桩-土-承台承载力特性分析研究

为研究复合桩基础桩-土-承台承栽力各自占桩基础总承载力的比值,采用有限元方法,以接触模型模拟混凝土/地基接触面,分端承型和摩擦型桩两种类型,对承台底地基土强度和外荷载大小对桩基础承载力分配的影响进行了分析研究.结果表明:端承型和摩擦型桩的承栽力分配存在较大不同;端承型桩的端阻力随着承台底土强度的增大而增大,侧阻力基本不...     

土与结构接触面模型的对比研究

对土与结构相互作用的四种常用模型的特点进行了总结,结合地铁车站基坑施工实测数据,采用有限元对基坑开挖主要施工步进行模拟计算,地连墙侧移计算结果表明采用薄层单元和摩擦接触模型计算值与实测值吻合较好,直接接触和弹簧单元模型效果较差.对比研究结果可为土与结构相互作用的数值计算提供参考.     

有限元法在工程接触现象中的应用研究

对于成形过程中具有几何大变形的体内预应力钢结构,索与结构的接触摩擦将会耗散大量能量,不搞清楚接触工作情况,就无法准确确定索力,同时也无法准确认识结构成形过程受力状态和预应力情况.本文采用接触有限元法对成形过程中具有几何大变形的预应力结构进行了接触成形过程研究,提出采用直接约束法可以较好地模拟此类接触问题.本文研究对施工中索力控制具有指导意义,同时为几何大变形预应力结构的设计提供一条新的途径.     

CONTACT MODEL BASED ON AUGMENTED LAGRANGE METHOD AND ITS ENGINEERING APPLICATION

1INTRODUCTIONContactproblemsarehighlynonlinearandrequiresignificantcomputerresourcestosolve.Itisimportantthatweunderstandthephysicsoftheproblemandtakethetimetosetupactualmodeltorunasefficientlyaspossible.Contactproblemspresenttwosignificantdiffi-culties.First,wegenerallydonotknowtheregionsofcontactuntilwe'veruntheproblem.Dependingontheloads,material,boundaryconditions,andotherfactors,surfacescancomeintoandgooutofcontactwitheachotherinalargelyunpredictableandabruptmanner.Second,mostcontac…     

基于ABAQUS软件的大直径桩承载力-变形分析

土的弹塑性本构模型分别采用扩展Drucker-Prager模型和Mohr-Coulomb模型,桩-土接触面采用主从接触面模型,利用ABAQUS软件,对两根大直径桩的静载荷试桩结果进行了三维有限元数值模拟,结果表明:当土的内摩擦角Φ≤22°时,采用扩展Drucker-Prager模型较Mohr-Coulomb模型更好地模拟出大直径单桩竖向荷载作用下的荷载-沉降关系曲线;但当Φ＞22°时,Mohr-Coulomb模型也能很好地模拟出大直径单桩的荷载-沉降关系曲线.     

局部加卸载下立方体阵列接触力残留的细观特性

基于光弹试验分析立方体阵列在一个分级加卸载周期下力链和颗粒位移的演化过程,结果表明,接触力和颗粒位移在卸载阶段均存在残留,且接触力和颗粒位移的演化特征一致表明,卸载过程中存在一个临界荷载值。通过建立主力链颗粒的串联接触模型,得出残留接触力取决于力链所受侧向摩阻力,包括颗粒间接触摩擦与咬合力。结合光弹条纹解析所得特征颗粒所受接触力,分析加卸载作用下主力链所受摩阻力的演化特征,得出加卸载过程中主力链所受摩阻力与外荷载呈正相关,表明随着外荷载的增大,颗粒体系的内摩擦作用逐渐发挥以抵抗外力;但相同外荷载下,加载和卸载阶段主力链所受摩阻力并不相等,是立方体阵列产生残留接触力的根源。     

筋土接触面直剪试验研究

为研究筋材与砂土接触面剪切特性,在改造的直剪仪上进行了筋材与砂土界面的直剪试验。结果表明:筋土接触面摩擦关系曲线符合摩尔-库仑强度准则。在本次试验的含水率范围内,筋土接触面的粘聚力随着含水率的增加而增加,摩擦角随着含水率的增加而减小。含水率为4%,筋土接触面的粘聚力和摩擦角随着砂土干密度的增大而增大。     

三维FEM/DEM中摩擦力的实施及验证

 块体间的相互碰撞、滑移均涉及到摩擦力的问题,但原有的三维有限元/离散元(FEM/DEM)并未考虑摩擦力的作用,为解决这一问题,首先论述三维FEM/DEM中基于势的接触力,指出势是对嵌入及接触所存储能量的表征,势越大表示嵌入量越大,接触所存储的能量越大。然后,在原有三维FEM/DEM中加入经典的库仑摩擦,使得原有三维FEM/DEM可以考虑摩擦力。最后,通过有解析解的斜面滑块算例和拱桥垮塌算例验证实施库仑摩擦的正确性,结果表明斜面滑块算例的数值解与解析解很好地吻合;而拱桥垮塌算例表明FEM/DEM可以解决复杂的工程问题。     

大理岩圆球颗粒切向接触特性的试验研究

利用岩石双轴流变试验仪,对大理岩圆球颗粒进行粒间切向接触试验,通过对试验结果的分析,揭示大理岩颗粒之间的切向接触特性。结果表明:法向力对大理岩切向破坏力的影响存在临界值,小于该临界值时,随着法向力的增大切向破坏力的增速较快;大于该临界值时,随着法向力的增大切向破坏力的增速较慢。表面摩擦系数对大理岩切向破坏力的影响与法向力大小有很大关系。当法向力较小时,表面摩擦系数会显著提高大理岩的切向破坏力,随着法向力的增大,这种影响逐渐减弱,当法向力达到法向破坏力的45%后,这种影响基本没有。球形大理岩直径越大,其切向破坏力和切向破坏位移也越大,切向刚度越小。大直径的球形大理岩所得到的试验曲线波动较大。     

基于简支梁模型的岩体超低摩擦效应理论分析

 考虑深部煤层开采情况,基于塑性动力学理论建立岩体超低摩擦效应简支梁模型,通过理论推导得到动载荷作用下顶板在弹性阶段和弹塑性阶段,岩层与顶板间接触界面法向应力解析表达式,分析动荷载P(t)作用下接触面法向应力与初始接触面法向应力的比值(q/p)与顶板位置参数 及时间t的关系曲线,据此得到岩体接触界面摩擦力变化规律,从塑性动力学角度解释岩体超低摩擦效应。研究结果表明：动载荷作用下,顶板在弹性和弹塑性状态,岩层与顶板间接触界面法向应力均有所降低,且降低幅度十分显著,即其接触界面摩擦力急剧下降,具有“摩擦消失”效应,这充分说明岩体超低摩擦效应的存在;比较弹性变形阶段与弹塑性变形阶段接触界面法向应力变化,前者降低幅度更大,说明顶板在弹性阶段岩层与顶板间接触界面更易发生超低摩擦效应。     

不同膜面张力下索膜间摩擦接触对谷索拉力的静力影响分析

对带有一条稳定索(谷索)的双曲张拉索-膜结构,应用ANSYS软件进行算例分析,谷索与膜面之间的摩擦接触问题用接触单元Contact175来模拟,接触表面的摩擦作用仅用摩擦系数来考虑,膜面初始预张力分别取2,3,4kN/m,对模型进行初始形态分析和静力荷载分析。分析表明,摩擦接触对谷索实际拉力的影响与膜面初始预张力、荷载形式及荷载大小均有关。相同膜面初始预张力下,外荷载较大时,共享节点的谷索拉力最小,考虑摩擦接触的谷索拉力分析才是偏于安全的。