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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
K δ R (5.1)
1 1 1
式中,K 1 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。δ1
是结点位移列阵,R 为结点荷载列阵。
1
求解式(5.1 ),得到结点位移δ ,再计算接触点的接触力P ,将δ 和P 代入与假定接
1 1 1 1
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K 2 和支配方程
K δ R (5.2)
2 2 2
再由式(5.2 )解得δ ,进一步计算接触力P ,将δ 和P 代入接触条件,验算接触条件是
2 2 2 2
否满足。这样不断的迭代循环,直至δ 和P 满足接触条件为止,此时得到的解答就是真实
n n
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
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