Особенности численного решения задачи контактного деформирования шероховатых тел в ANSYS

Численное решение задач деформирования двух шероховатых тел и задач контактной теплопроводности затруднено ввиду большого числа параметров вычислительных алгоритмов, значительно влияющих на результаты решения. Задача деформирования нелинейна вследствие упругопластических свойств материалов и изменения геометрии контактирующих шероховатых поверхностей, что также может оказаться препятствием для успешного проведения расчета. Представлены особенности решения задачи контактного деформирования шероховатых тел в программном комплексе ANSYS. Приведен пример решения для участка шероховатости микронных размеров. Рассмотрены возникающие ошибки решателя и влияние сеточного разбиения. Проанализирована необходимость скругления вершин элементов шероховатости. Приведены рекомендации по выбору типов конечных элементов, а также многочисленных параметров комплекса ANSYS для расчетов такого класса задач.

Литература

[1] Carbone G., Bottiglione F. Asperity contact theories: Do they predict linearity between contact area and load? // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. Vol. 56. 2008. P.2555-2572. D0I:10.1016/j.jmps.2008.03.011

[2] Pennec F. Modelisation du contact metal-metal: Application aux microcommutateurs MEMS RF. PhD These. Universite de Toulouse, 2009. 190 p.

[3] A nanomechanical switch for integration with CMOS logic / D.A. Czaplewski, G.A. Patrizi, G.M. Kraus, J.R. Wendt, C.D. Nordquist, S.L. Wolfley, M.S. Baker, M.P. de Boer // Journal of Micromechanics and Microengineering. Vol. 19. No. 8. 2009. P. 1-12. DOI: 10.1088/0960-1317/19/8/085003

[4] Wang A.L., Zhao J.F. Review of prediction for thermal contact resistance // Science China. Technological Sciences. Vol. 53. No. 7. 2010. P. 1798-1808. DOI: 10.1007/s11431-009-3190-6

[5] Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н., Савельева И.Ю. Механический аналог, моделирующий процессы неупругого неизотермического деформирования // Математическое моделирование и численные методы. 2014. № 3. C. 25-38.

[6] Ott L. Untersuchungen zur Frage der Erwarmung elektrischer Maschinen. Mitteilungen uber Forschungsarbeiten auf dem Gebiete des Ingenieurwesens, insbedereaus den Laboratorien der technischen Hochschulen, Berlin: Springer, 1906. H. 35-36. S. 53-107.

[7] Barratt T. Thermal and electrical conductivities of some of the rarer metals and alloys // The Physical Society of London Proceedings. 1914. Vol. 26. Part 5. P. 346371. DOI: 10.1088/1478-7814/26/1/335

[8] Barratt T. The magnitude of the thermal resistance introduced at the slightly conical junction of two solids, and its variation with the nature of the surfaces in contact // The Physical Society of London Proceedings. 1915. Vol. 28. P. 14-20. DOI: 10.1088/1478-7814/28/1/302

[9] Thompson M.K. A Multi-Scale Iterative Approach for Finite Element Modelling of Thermal Contact Resistance: PhD thesis, Cambridge, MA, USA: Massachusetts Institute of Technology, 2007. 100 p.

[10] Lee S., Jang Y.H., Kim W. Effects of nanosized contact spots on thermal contact resistance // Journal of Applied Physics, 2008. Vol. 103. 074308, 8 p. DOI: 10.1063/1.2903450

[11] Ciavarella M., Define V., Demelio G. A "re-vitalized" Greenwood and Williamson model of elastic contact between fractal surfaces // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2006. Vol. 54. Iss. 12. P. 2569-2591. DOI: 10.1016/j.jmps.2006.05.006

[12] Bahrami M., Yovanovich M.M., Culham J.R. Thermal contact resistance at low contact pressure: Effect of elastic deformation // Int. J. Heat Mass Transfer. 2005. Vol. 48. Iss. 16. P. 3284-3293. DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.02.033

[13] Мурашов М.В., Панин С.Д. Моделирование термического контактного сопротивления // Труды пятой Российской национальной конференции по теплообмену. Москва, 25-29 октября 2010. М.: Издательский дом МЭИ. 2010. Т. 7. С. 142-145.

[14] Yovanovich M.M. Four Decades of Research on Thermal Contact, Gap, and Joint Resistance in Microelectronics // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2005. Vol. 28. No. 2. P. 182-206. DOI: 10.1109/TCAPT.2005.848483

[15] Greenwood J.A., Williamson J.B.P. Contact of nominally flat surfaces // Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 1966. Vol. 295. P. 300-319. DOI: 10.1098/rspa.1966.0242

[16] Демкин Н.Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей. М.: Изд-во АН СССР, 1962. 111 с.

[17] Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машгиз, 1962. 383 с.

[18] Finite element modeling of elasto-plastic contact between rough surfaces / Pei L., Hyun S., Molinari J.F., Robbins M.O. // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2005. Vol. 53. P. 2385-2409. DOI:10.1016/j.jmps.2005.06.008

[19] Мурашов М.В., Панин С.Д. Микромеханика материалов: процессы на шероховатых поверхностях // Тепловые процессы в технике. 2010. № 4. С. 164-168.

[20] Murashov M.V., Panin S.D. Modeling of thermal contact conductance // Proceedings of the International heat transfer conference IHTC-14. August 8-13. 2010. Washington, DC, USA. Vol. 6. P. 387-392. DOI: 10.1115/IHTC14-22616

[21] Analysis and modeling for flexible joint interfaces under micro and macro scale / L. Wang, H. Liu, J. Zhang, W. Zhao // Precision Engineering. 2013. Vol. 37. Iss. 4. P. 817-824. DOI: 10.1016/j.precisioneng.2013.03.008

[22] Yan W., Komvopoulos K. Contact analysis of elastic-plastic fractal surfaces // Journal of Applied Physics. 1998. Vol. 84. P. 3617-3624. DOI: 10.1063/1.368536

[23] Сопротивление деформации и пластичность металлов при обработке давлением / Ю.Г. Калпин, В.И. Перфилов, П.А. Петров, В.А. Рябов, Ю.К. Филиппов. М.: Машиностроение, 2011. 244 с.

[24] Thompson M.K., Thompson J.M. Considerations for the Incorporation of Measured Surfaces in Finite Element Models // Scanning. 2010. Vol. 32. No. 4. P. 183-198. DOI: 10.1002/sca.20180

[25] Kwon O.H., Thompson M.K. The effect of surface smoothing and mesh density for single asperity contact // Proceedings of the International Conference on Surface Metrology. 2009. Worcester, MA. 5 p.

[26] Kwon O.H. Investigation on the effect of mesh density and surface smoothing for real rough surfaces in contact // M.S. Thesis, Korea Advanced Institute of Science and Technology. Department of Civil and Environmental Engineering, 2009. 93 p.

[27] Isogeometric large deformation frictionless contact using T-splines / R. Dimitri, L. De Lorenzis, M.A. Scott, P. Wriggers, R.L. Taylor, G. Zavarise // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2014. Vol. 269. P. 394-414. DOI: 10.1016/j.cma.2013.11.002

[28] Wang E., Nelson Th., Rauch R. Back to Elements - Tetrahedra vs. Hexahedra // 2004 International ANSYS Conference. Pittsburg, PA. May 24-26. 2004. 16 p.

[29] Панин С.Д., Астрахов А.В., Мурашов М.В. Особенности решения осесимметричной нелинейной нестационарной задачи теплопроводности с подвижной границей методом конечных элементов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2003. № 6. С. 9-16.