Workbench案例——如何在不进行接触分析的条件下施加摩擦约束
1 前言
动力管道的应力分析常用的软件有CEASAR II、SYSPIPE等，这些通常都是针对大型管系的分析，或者可以说是系统层级的分析。以CEASAR II为例，它可以对节点的设置摩擦约束用来模拟滑动支座，用户只要设定约束方向和摩擦系数即可。而Workbench更像是部件级的分析，通常不会对大型管系进行三维建模后开展分析计算，它可以说是一个放大镜，对某个局部进行更为详细的分析。
我们知道，Workbench有接触分析功能，也就是把支座结构进行完整的建模计算，摩擦接触情况由计算而得。但是这种计算较为复杂，接触问题需要迭代，资源要求较高，针对大型管系就更不现实了。有没有简单的处理方法，比如在不进行接触分析的条件下施加摩擦约束呢？实际上是有的，比如下面的管道，左上角固定，右下角滑动支撑，管道受热膨胀后，右下角会发生图示的两个方向形变驱动，这个驱动会对滑动支座产生约束反力（静摩擦或滑动摩擦）。此时该怎么设置呢？今天我们来讨论一下。
2 处理建议
开篇点题，同样利用COMBIN40弹簧单元来间接计算摩擦约束力。COMBIN40 单元可以理解为并联了一个弹簧和一个滑块，通过设置 FSLIDE 参数来定义最大静摩擦力（或滑动摩擦力）。当热膨胀产生的力小于 FSLIDE 时，单元表现为弹簧，模拟静摩擦；当力超过 FSLIDE 时，单元开始滑动，力保持恒定，模拟滑动摩擦。FSLIDE 的符号：FSLIDE 为正时，达到阈值后弹簧力保持恒定（标准滑动）；FSLIDE 为负时，达到阈值后刚度降为零（breakaway 断裂功能），本案例显然要用正值。COMBIN40 的 FSLIDE 是力而非压力，需先通过静力分析估算设备自重及热膨胀产生的法向压力，再乘以摩擦系数得到该值。
创建如下的管段模型（梁单元），包括高温膨胀梁和刚性支撑梁，两者之间创建弹簧连接，随便给一个初始刚度，对于静态问题，阻力设置为0。注意，我们需要创建两个弹簧（本案例两个弹簧的位置是完全一样的，也可以分开创建在不同位置），一个用来约束x向，一个用来约束z向。
COMBIN40的使用，需要在弹簧连接下面分别插入command用来指定摩擦约束，输入APDL命令，将弹簧单元类型改为COMBIN40并设置实常数（最后一行），其中，第二含KEYOPT(3)用来指定自由度方向，0或1表示x方向平移，2表示y方向平移，3表示z方向平移，本案例的自由度分别为0和3；第三行实常数的参数从左往右分别刚度K1，阻尼C，质量M，间隙GAP（或自由行程），滑移力FSLIDE（即本案例的摩擦力），弹簧2刚度K2。对于本案例情况，只需要设置K1和FSLIDE即可，其他设置为0表示不启用参数。本案例K1设置成一个很大的值，用来模拟“粘滞状态”。
第一个弹簧
ET,_sid,COMBIN40KEYOPT,_sid,3,0R,_sid,10000000,0,0,0,1000,0
第二个弹簧
ET,_sid,COMBIN40KEYOPT,_sid,3,3R,_sid,100000000,0,0,0,1000,0
我们看一下计算结果。
首先，高温膨胀梁温度为100℃时，支撑位置的位移为0，两个方向的力均小于滑动摩擦力，表示处于静摩擦状态。
高温膨胀梁温度为600℃时，支撑位置的位移为3.43mm，两个方向的力均等于滑动摩擦力，表示处于滑动摩擦状态。
显然，上述静摩擦和动摩擦状态，膨胀梁都不是自由膨胀状态，因此会有应力产生。并且，滑动摩擦力越大（表现为支撑的摩擦系数越大），应力也会越大。因此工程应用上会尽可能减小摩擦系数，使设备管道尽可能趋向自由膨胀。
