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非线性有限元方法在结构接触分析中的应用
ABAQUS www.xncae.com
范瑞娟
Application of Nonlinear Finite Element Method on
Structure Contact Analysis
FAN Ruijuan
摘要： 针对某型机缝翼结构中所遇到的接触问题，应用ABAQUS有限元分析软件，对其进行了边界非线性有限元分析。利用ABAQUS的接触算法，真实的模拟了缝翼滑轨和滚柱之间的接触关系，进而得到真实的传力路经和应力分布。
关键词： 边界非线性；有限元分析；接触 1 引言
在有限元结构力学模拟中，非线性的来源有三种:材料非线性、边界非线性和几何非线性。材料非线性是指高应变时材料发生屈服，其应力-应变关系成为非线性；边界非线性是指边界条件随着载荷的变化而发生变化；几何非线性是指在模型分析中位移的大小影响到结构响应的情况。飞机结构设计中遇到的接触关系属于边界非线性问题。在有限元结构分析过程中，接触条件是一类特殊的不连续约束，它允许力从模型的一部分传递到另一部分。因为只有当两个表面发生接触时才会有约束产生，而当两个接触的面分开时，就不存在约束关系了，所以这种约束是不连续的。下面结合飞机前缘缝翼滑轨设计中所遇到的接触问题，就如何应用ABAQUS软件，
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对其进行边界非线性有限元分析予以介绍。 2 缝翼滑轨设计中的接触问题
飞机的前缘缝翼是民用客机中机翼常用的增升活动面，常规缝翼是通过滑轨在滑轮组架中的运动来改变机翼的翼型，以达到增加升力的目的。
缝翼滑轨在滑轮组架滚柱上的支持就是一个典型的接触问题，如图1所示。滑轮组架内在每根滑轨的安装位置沿滑轨法向和侧向各布置了两组滚柱。当缝翼翼面上的载荷传到滑轨上时，滑轨受力变形，其上下表面就会有滚柱与滑轨表面发生接触，从而限制滑轨的法向运动；其左右两侧也会有滚柱与滑轨腹板表面发生接触，从而限制滑轨的侧向运动。
在结构受载过程中，究竟是哪一个或哪些滚柱与滑轨发生接触，从而为其提供边界约束呢？这就是边界非线性有限元分析所要考虑的主要问题。
滚柱与滑轨 侧向接触
滚柱与滑轨 法向接触
图1 滑轨与滚柱之间的接触关系
3 接触类问题边界非线性有限元分析方法
ABAQUS是国际上先进的大型通用有限元计算分析软件之一。特
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别是它的非线性力学（几何、材料、接触）分析功能有世界领先水平，应用此软件，使得该类接触问题的简便求解成为可能。 ABAQUS软件应用Newton-Raphson算法迭代求解非线性问题。 ABAQUS中的接触计算过程如图2所示。图中p表示从属节点上的接触压力；h表示从属节点侵入主控表面的距离。
脱开 开始增量
撤消约束 确定 接触状态 接触 加上约束 执行迭代 点脱开： 迭代 P〈 0 检查接触 的变化 没有 变化 h 〉0 点接触： 迭代 检查平衡 不收敛 收敛 结束增量步
图2 接触逻辑 3.1 模型简化
缝翼本体有限元模型主要为板杆结构，模型网格较粗，主要用来施加载荷。滑轨和滚柱简化为细网格四面体单元，目的是分析滑轨受力变形后与滚柱的接触状态及滑轨的应力。缝翼加强肋连接耳片与滑轨之间用耦合元（coupling）连接，使得载荷由缝翼本体传
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给滑轨。
缝翼有限元网格见图3，2-1滑轨和滚柱有限元网格见图4。
图3 缝翼有限元网格
2-1滑轨 及滚轮
2-2滑轨及滚轮
2-3滑轨 及滚轮
图4 2-1滑轨及滚柱有限元网格
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