midas关于接触问题大全

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1、一、一、建立接触单元的方法建立接触单元的方法 GTS提供了多种建立接触单元的方法。 要注意的是二维分析时只能使用 二维接触单元，三维分析时只能使用三维接触单元，在文件 项目设 置中根据用户对二维和三维的选择， 程序会自动对可选择的接触单元类 型进行设置。 图 1. 建立接触单元对话框 1. 根据单元边界根据单元边界 - 在选择单元的边界上与其它单元 有接触时，在两个单元间建立接触 单元的命令。 - 在选择过滤窗口可供选择的有网 格组和单元。 - 接触单元一般经常用于两个不同 网格组之间的连接，所以选择过滤 窗口默认选择为网格组。 增加的功能增加的功能 2. 手动输入节点号手动输入节点号 - 直

2、接输入节点号建立接触单元的方 法。 - 边1和边2中的节点号数量必须相 同。 - 二维时，每个边输入2个节点号时， 将生成一阶的线接触单元；每个边输 入3个节点号时， 将生成二阶的线接触 单元。 - 三维时，每个边输入3个节点号时， 将生成一阶三角形面接触单元；每个 边输入4个节点时， 将生成一阶四边形面接触单元； 每个边输入6个节点 时，将生成二阶三角形面接触单元；每个边输入8个节点时，将生成二 阶四边形面接触单元。 - 高阶单元的中间节点号输入顺序在输入角点号之后 3. 转转换单元换单元 - 将已建立的一维、二维、三维单元 转换为接触单元的方法 因为单元的节点顺序不是固定的， 所 以需要指

3、定对应的节点中作为基准 点的节点。 4. 根据选择的节点根据选择的节点 - 利用选择的节点间的相关性， 在相 邻单元间建立接触单元的方法。 - 可以不使用“选择端节点”按键也 能生成接触单元， 但是当单元的布置 形状比较特殊时，因为位相的需要， 有时需要使用该键。 - 所谓单元的 布置形状比 较特殊的情 况是指实体 单元如下图 时，即厚度方 向仅分割有一个单元的情况。 图 2. 选择端节点 端节点端节点 5. 根据自由面根据自由面 - 在规定的误差范围内的相对应 的自由面、 边上建立接触单元的方 法。 - 修改了以前版本中两个单元的 间距大于自由面、边的距离时，不 能建立接触单元的问题。 6.

4、 根据平面根据平面 - 选择在单元之间建立的板、桁 架、梁单元，在选择的单元两边 与他们相连的单元之间建立接触 单元的方法。 - 二维分析时，象桩单元、桁架单 元的两端建立接触单元。 - 在此也可以有选择地使用“选择 端节点”键。 二、GTS 接触单元的理论分析 1. 库库伦摩擦模型伦摩擦模型 相同介质或不同介质之间的连接可使用接触单元（interface element）模 拟，MIDAS中的接触单元采用了库伦摩擦（Coulomb friction）理论。 假设应变 u tan1Q= (7) 由式(4)、(6)、(7)可得 由式(2)得： 由式(1)得： 将式(1)代入式(2)计算的最终应力

5、增量为 1 11 T epee TTe eeeeee T ee e T e ggf h gfgf hh gf fg h = = = = = tDuuDuDut ttt u DuDuDDDu ttttu DD tt Du D tt & & & & & & (8) 且， 0 0 ne t k k = D, p p f h k = tu tu , tan t t tg t = t , tan ( ) T t t tf k t = t 将上面的式整理成如下公式。 1 T p gfg h = ut ttt & & 1 T pee gfg h = uDu ttt & & 11 1) TT epeeeee

6、fgfg hh = += = uuuuDuuD tttt （& ()tan 1 tantan tan ( )(tantan ) t ntnt t tnt nttn t t k hkk k t thkk k kkk hk t + = + + tu & &V (9) 当时，式(9)为非对称矩阵，将发生非相关塑性流动；当=时 式(9)为对称矩阵，将发生相关塑性流动。相关塑性流动分析时在与临 界面垂直方向上将发生过大的开启现象， 这与实际反应不符。 非相关塑 性流动分析时随着刚度矩阵的大小对内存的需求和分析过程将增加， 将 造成分析时间加大。特别是当和值相差较大时，即非相关性比较 大的分析，将不容易收

7、敛。在 MIDAS/GTS中推荐使用20。 2. 参数输入方法参数输入方法 1.5.5之前的版本的接触单元有沿着法线和切线方向的位移， 离散裂缝(d iscrete cracking)中法线方向的裂缝对切线方向的材料特性有影响， 但是 切线方向的位移对法线方向没有影响。 改善的接触单元使用了库伦摩擦 准则，考虑了法线和切线位移的相关性。 图 1. 库伦摩擦准则 图 2. 接触单元特性输入对话框 1) 特性特性 下面介绍接触单元中需要输入的特性。 表 1. 接触单元特性值 - 间隙值设定的是接触面可以承受的最大张拉应力， 当接触面所受的张 力超过设定的值时，接触单元将不能再承受张力。当不输入该值

8、时，程 序认为接触面可以持久地承受张拉应力。 （注：新的版本中将间隙翻译 为最大张拉应力） - 始终0，且。当=时，将使用相关流动法则。当 20时收敛性比较好，当超过这个差值时，推荐在分析 一 般分析控制对话框中选择非线性分析选项中的“刚度不变”选项。 2) Mode-II 模型模型 Mode II 模型只有在定义了间隙值（Gap Value）时才发生作用。当没有 定义间隙值时， 即使定义了ModeII中的数据， 接触单元也按前面定义 的特性做弹塑性分析。 ModeII是定义接触面切线方向的摩擦反应的功 能。 表 2. ModeII模型的种类 项项 目目 内内 容容 法向刚度模量法向刚度模量

9、n K 接触面外垂直方向模量 剪切刚剪切刚度模量度模量 t K 接触面内切线方向模量 内聚力内聚力 c 表示材料的内聚力c 内摩擦角内摩擦角 表示材料的内摩擦角 膨胀角膨胀角 表示材料的膨胀角 间隙值间隙值(Gap Value) 表示能承受的最大张拉应力 模模 型型 内内 容容 脆性脆性(Brittle) 产生裂缝后不能再抵抗剪力的模型 常量裂面剪力传递常量裂面剪力传递 (Constant Shear Reten tion) 表示接触面的剪切刚度按某值进行缩减的模型。 在刚度缩减中输入缩减后的剪切刚度。 粒料连锁粒料连锁 (Aggregate Interlock) 接触面比较粗糙时， 粒子间因

10、为互相咬合， 将产生摩擦 和面膨胀效果。 3) 多线性硬化多线性硬化(Multi-linear Hardening) 表示多折线型的硬化模型， 仅适用于接触面切线方向的剪切变形。 库伦 摩擦模型一般是两个参数的模型， 需要定义粘聚力和内摩擦角。 硬化模 型是将粘聚力和内摩擦角定义为随着塑性应变逐渐加大， 来模拟硬化现 象的模型。在点击定义多折线硬化 图 3. 多折线硬化 MIDAS/GTS中提供了用于连接不同材料或刚度相差较大的材料的接触单元中提供了用于连接不同材料或刚度相差较大的材料的接触单元- Goodman单元。 一般来说通过适当调整等参数单元。 一般来说通过适当调整等参数(isopar

11、ametric)单元的刚度也可以单元的刚度也可以 实现类似于接触单元的效果，但是接触单元是不必细分单元的细长的单元。实现类似于接触单元的效果，但是接触单元是不必细分单元的细长的单元。图1 所示的是节点号为1, 2, 3, 4与整体坐标轴x-轴倾斜 角度的典型的接触单元。 图1 典型的接触单元 接触单元的剪切应力由用户定义的接触单元的剪切刚度决定， 可用于判断剪 切应力是否超过了莫尔-库伦(Mohr-Coulomb)屈服标准中的最大剪切强度。超过 剪切强度 塑性应变 了最大剪切强度时，残留剪切模量将被用于计算单元刚度。 另外，当单元受拉时，水平刚度和剪切刚度将被乘以1/10000，此时接触单 元

12、可用于模拟节理。 三、桩单元桩单元 GTS V200中的桩单元采用了嵌入式梁单元的形式，在建立桩单元时可以考虑与周边的连接。输 入的截面特性与梁单元相同，下面介绍桩单元的接触特性的输入方法。 特性特性 用户输入的相对位移摩擦力关系曲线为参考高度位置的曲线， 程 序将根据输入的坡度值获得不同深度位置的曲线， 如果坡度值输入为0， 则所有深度上都将使用相同的摩擦力相对位移曲线。 项 目 说 明 最终剪力 限制了最大摩擦力 剪切刚度系数() t K 面内切线方向刚度系数 函数 输入参考高度位置的摩擦力相对位移曲线 法向刚度系数() n K 面外垂直方向的刚度系数 参考高度 计算桩单元的摩擦力的参考位

13、置 摩擦力相对位移曲线的坡度 摩擦力相对位移曲线随高度变化的变化率 使用桩单元建立模型例题如下。桥墩建立在由5个土层构成的地基 上面，基础形式为桩基础。分析时只考虑了自重，没有考虑外部荷载。 桩单元的摩擦力、 相对位移都是按照局部坐标系输出。 桩基础和周 边地基的位移、 桩的轴向摩擦力如下。 可以看出桩对周边地基的影响较 大，并可以确认桩与周边岩土的摩擦力分布状况。 本构方程本构方程 实体单元可以使用低阶和高阶单元，可以使用的实体单元类型如 下。 8节点/20节点六面体单元(Brick) 6节点/15节点五面体单元(Wedge) 4节点/10节点四面体单元(Tetra) 可以使用的线单元如下。

14、 2节点桁架单元 2节点梁单元 接触单元的整体坐标系如下。 321 XXX=X 接触单元的单元坐标系可由整体坐标系转换如下。 ()()() 321 3 3 3 2 3 13 2 3 2 2 2 12 1 3 1 2 1 11 ,XXXXXXxXXXxXXXx=x 单元坐标系 y z x 单元坐标系 y z x 整体坐标系的坐标轴表示如下。 IX = 单元坐标系可用直交行列式表示如下。 = 3 3 3 2 3 1 2 3 2 2 2 1 1 3 1 2 1 1 XXX XXX XXX x 使用单元坐标系描述节点坐标如下。 ()()() ()()() T XXXxXXXxXXXx XXX XXX

15、XXX xxxxxxxxxxxx 3 3 3 2 3 13 2 3 2 2 2 12 1 3 1 2 1 11 3 3 3 2 3 1 2 3 2 2 2 1 1 3 1 2 1 1 3 3 3 2 3 13 2 3 2 2 2 12 1 3 1 2 1 11 , , = =x 二次形函数的形状和公式如下。 ()() 2 1 1 2 1 1 2 1 =N, ()() 2 2 1 2 1 1 2 1 +=N, () 2 3 1=N 将高斯积分点位置上的形函数用 l k N表示时，k是节点号，l是积分 点号。如果有两个积分点，则l=1,2。节点的坐标 k i a可以使用节点号k 和自由度号i表示。实体单元每个节点有三个位移自由度。 = = 3 1 3 3 1 2 3 1 1 , k l k k k l k k k l k kl NaNaNaa l a