midas FEA Training Series
静接触分析
一. 概要
二. 建立基本模型
1. 分析概要
在结构上通过构件间的接触传递荷载的情况非常普遍，例如在钢桥上经常采用的高强度螺栓连接或铆钉连接，钢拱桥的索吊杆的连接等。在这样的接触面上根据荷载的传递方法的不同作用在接触面上的荷载也会不同，分析和建模应考虑构件间的接触条件。
本例题介绍的是对钢拱桥的索吊杆与拱肋的连接位置的详细分析，即在吊环(Lug)和销(Pin)的连接处的接触应力(Contact stress problem)分析。
1. 打开结构模型
文件 > 打开... 1. 选择 [Contact Analysis.feb] 操作步骤 操作步骤
2. 模型简介
建立模型并定义接触面和接触面特性。 定义材料的非线性特性并进行非线性迭代计算。 查看构件的应力、变形、接触面的接触力。
模型简介
模型是模拟钢拱桥的索吊杆的吊环与销的连接，吊环和销上没有外荷载作用时，销只是放在吊环孔内。但是当有外荷载时因为吊环和销产生变形，吊环和销之间产生一个接触面，并通过接触面传递荷载。 模型构成
结构模型 定义接触面 吊环(90t) 索吊杆的吊环-销连接 吊环-销连接1/2模型 2. 分析步骤
接触面分析的步骤如下： 1) 2) 3)
本例题将省略几何模型的建模过程，直接从定义接触面开始介绍接触分析的过程。 双层板(85t) 销(?224) 如上图所示模型由吊环、双层板、销构成，单元采用了实体单元，因为是对称结构所以只建了1/2模型。 接触条件
销被吊环包裹着，双层板和吊环用角焊焊接。接触面是面与面的连接，面与面可以接触也可以分离，所以采用了对称一般接触(Symmetric General Contact)类型。销与吊环孔的下半部分连接名称定义为“Shaft_General”，吊环和双层板的接触面名称定义为“Plate”。 边界条件
拱肋与吊环采用固接(约束所有自由度)，在对称面上约束DY、RX、RZ。 荷载
将整体分析中得到的吊杆内力使用强制位移荷载作用在销的两端。将销截面定义为刚性连接使吊杆的张力均匀作用在销截面上，然后把位移荷载作用在刚性连接的主节点上(销截面中心位置)，位移荷载大小为-0.80mm。
确认分析结果 非线性静力分析 105
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静接触分析 三. 定义材料特性
名称
3 4 1. 定义非线性材料本构
分析 > 材料... 1. 选择 [1 : SM520] 2. 点击 [编辑] ? 定义材料本构的方法
在midas FEA的分析 > 材料…中定义非线性材料本构模型。材料对话框分为两部分。在对话框的上半部分的“结构”中输入一般线弹性材料特性。材料非线性弹性分析在线性区域内时使用在这里输入的材料特性。
材料在屈服后进入塑性阶段时使用的材料特性在对话框的“本构模型”中输入。选择本构模型后，需要输入相应的一些参数。midas FEA中提供了丰富多样的材料本构模型。.
本例题分析模型为钢桥，因此选择了范梅塞斯本构模型。范梅塞斯(Von Mises)本构模型是金属材料中使用较多的材料本构模型，比较适合钢桥的材料非线性分析。
范梅塞斯材料本构参数比较简单，首先在初始屈服应力中输入钢材的屈服应力。本例题使用了SM520材料的屈服强度360MPa。屈服后的特性在“硬化/软化函数”中定义。如果是完全塑性，则不定义函数直接选择“无”。本例题假设钢材为完全塑性材料。
操作步骤 操作步骤 3. 在模型类型中选择 [范梅塞斯] 4. 初始屈服应力：“360 MPa” 1 2 定义接触面的名称。定义两个接触面组，销和吊环孔下半部分的连接起名为“Shaft_General”，吊环和双层板的接触面起名为“Plate_General”。
刚度系数
可以调整接触面的刚度。midas FEA中利用罚函数法计算接触面的刚度，刚度系数是在刚度上乘以一个调整系数，一般输入1.0。
静摩擦系数
考虑接触面的摩擦效果时可输入静摩擦系数。一般会在吊环孔和销之间注入润滑剂，因为摩擦力会很小，所以一般会忽略。
2. 定义主从接触
1 2 3 4 操作步骤 骤 ... 分析 > 接触 > 操作步主从接触1. 选择接触组 [Shaft_General] 2. 选择 [面与面接触] 3. 接触类型 [对称一般接触] 4. 主对象>对象类型 [3D单元面] 5. 从属对象>对象类型 [3D单元面] 6. 点击 “适用” 7. 选择接触组 [Plate_General] 8. 重复第2～第5步骤
四. 定义接触面
1. 定义接触组
操作步骤 骤 ... 分析 > 接触 > 操作步接触组1. 名称 [Plate_General] 2. 刚度系数：“1” 3. 静摩擦系数 “0” 1 5 4. 点击 “添加” 5. 名称 [Shaft_General] 6. 刚度系数：“1” 2 6 7. 静摩擦系数 “0” 8. 点击 “关闭” 3 7 5 9. 点击 “适用”
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静接触分析
给接触组定义接触面的类型和具体的接触面单元，接触面双方分别定义为主接触对象和从属对象。
接触类型
定义接触面的类型。midas FEA中作为隐性类型的接触面类型有一般接触(General Contact)和焊接接触(Weld Contact)，分析采用非线性分析。
一般接触(Symmetric General Contact)
面与面的接触时经常使用的类型，两个面在分析前为接触状态，或者分析过程中也可以反复接触和分离。
焊接接触(Symmetric Weld Contact)
只能用于分析前主从接触处于接触状态，分析过程中两个面不允许分离。一般用在两个面粘贴在一起，或者主从节点不对应的情况时。该方法应将单元分割较细或者刚度较小的一侧的节点设置为从属节点，另一侧节点为主节点。设定相反时主接触面会贯穿从属面。
? 分析输出控制功能说明
分析和输出控制是选择希望输出的分析结果的内容。默认是输出所有内容，但是在分析模型比较大时，为了节省计算时间提高工作效率，用户可以有选择地输出自己需要的结果。
2. 分析控制设定
? 分析控制 > 非线性
用户选择的分析类型不同，分析控制对话框中的参数也不同。本例题是进行材料非线性分析，所以在分析控制对话框中选择“材料非线性”。如果要同时考虑大变形，可以同时勾选“几何非线性”。迭代计算的方法可以选择收敛性较好的Newton Raphson方法，荷载步为10次，每步内迭代次数为30回，可同时勾选自动调整荷载步选项。
midas FEA中提供能量范数、位移范数、荷载范数三种收敛条件。收敛条件可以重复选择。本例题使用位移范数的收敛条件。 操作步骤 1 操作步骤分析 > 分析工况... 2 1. 选择 [材料非线性] 3 2. 选择 [Newton Raphson] 4 3. 荷载步骤数 “10” 4. 每荷载步内迭代计算次数：“30”
5. 勾选 ”位移标准”并输入”0.001”
5
? 牛顿拉普森法(Newton Raphson Method)
如左侧图形所示Newton-Raphson方法在每个迭代计算过程中都使用更新的切线刚度，所以收敛速度较快。
当分析模型较大时，Newton-Raphson方法在计算切线刚度时需要较多的计算。当最初迭代计算阶段得到的解与最终得到的解的倾向相差较大时，可能发生不收敛。所
以，Newton-Rapshon方法虽然在收敛计算中所需的迭代计算次数较少，但是在各迭代计算次数中花费的计算费用高时间较长。对于其它迭代计算方法，可参考程序的分析手册。
五. 定义分析工况
1. 定义分析工况
1 2 3 5 4 拖放
操作步骤 分析 > 分析工况... 1. 名称 [General_dz] 2. 选择 [非线性静态] 3. 在初始单元和边界中点击 全部 操作步骤 4. 拖放 ”荷载组”和“接触组” 5. 点击 [分析控制]
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静接触分析 六. 运行分析
分析 > 运行... 1 2．分析结果
1) 位移结果 操作步骤 操作步骤 2. 点击 [确认] 操作步骤 操作步树形菜单 > Gen_dz_Step(1 ) > 位移 骤 1. 点击 [TDtXYZ(V] 后处理 > 查询结果 2. 点击 [最大], [最小]
? 分析结果
在后处理树形菜单中查看
如左侧图形所示，分析结束后将在后处理树形菜单中列出分析的结果。因为本例题的分析各步都为收敛，所以将输出到荷载系数为1的各步骤的结果，即各步骤的位移、应力、接触力的结果。
三维单元应力 > 范梅塞斯应力 使用应力云图确认钢桥构件是否屈服和应力状态。钢材的应力使用范梅塞斯应力。范梅塞斯应力公式如下： 222 ??1??2????2??3????3??1? 2 该应力超过输入的初始屈服应力时表示发生屈服。
接触力
输出接触面上各方向的接触力。
? 查看分析结果方法 – 查询结果
查询结果是在等值线云图中用户关心的位置上标注相应分析结果的方法，利用查询结果的方法可以快速方便地确认位移最大位置和位移值。
针对TDtXYZ(V)结果在查询结果命令中点击[最大]和[最小]键就可以在相应位置标示出最大最小位移值(参见下图)。
吊环上部为固定，销截面上发生位移0.8mm，销周边上发生0.6mm的位移。
1. 选择 [General_dZ] 七. 查看分析结果
1. 分析结果内容
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静接触分析 2) 应力结果
在吊环孔和两边的板应力都小于160Mpa，在销端部的应力超过了360Mpa，超出360Mpa应力的区域不足1%。
3) 接触力结果 操作步骤 操作步树形菜单 > Gen_dz_Step(1 ) > 接触力 骤 操作步骤 操作步骤 树形菜单 > Gen_dz_Step(1 ) > 三维单元应力 1. 点击 [Lo-Solid, P Von Mises] 1. 点击 [FCXYZ(V] 在销和吊环孔之间的接触面的底部发生的接触力为13.3kN，其余接触面上的
接触力为5.0~10.0kN。
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