Inventor應力分析的接觸條件

Inventor應力分析的接觸條件應用上的預設設定是“已連接” (Bonded)，
這一個接觸條件在很多靜態狀況下是可以用的，
對整體大範圍結果的影響也不大，
可是對小範圍的應力分布趨勢跟變形行為影響卻可能很大，
尤其是在力量的作用形式是拉或壓，
"連結"接觸對結果影響甚至是完全不同；
如果實際上的力量是壓，而且接觸面不會滑動時，
“已連結”這個條件是可以用的，甚至不該改為“分離”，
原因是分離這個接觸條件並不支援磨擦，
如果有一點側向力就會造成滑動發生，而與實務狀況不同。

所以接觸對分析結果的影響可以很大，也可以幾乎沒有影響，
主要關鍵就在受力對接觸面的影響。

Inventor應力分析支援的接觸條件總共有7個：
已連接
分隔
滑動/無分隔
分隔/無滑動
緊縮配合/滑動
緊縮配合/無滑動
彈簧

對許多剛開始用結構分析的使用者來說，
這些接觸條件名稱與相關說明可以說是很難理解的文字，
尤其是早期版本的翻譯名詞完全是詞不達意，
根本搞不清楚到底在說甚麼？！


基本上要了解接觸條件可以先掌握幾個基本觀念會比較容易理解：
1. 幾何會不會有相互運動？
2. 若會有相互運動，在那些方向？
3. 相互運動時有無條件限制？
4. 幾何一開始有沒有接觸在一起？還是分開或干涉？
5. 實務或直覺或經驗上接觸幾何的力量傳遞狀況？
如果能先想好這幾點，就比較容易理解這 7 個接觸條件的意義。

首先從結構中兩個碰在一起的面開始舉例，
在現實環境中的類似範例例如桌子腳壓在地板上，
紙張海報黏在塑膠板/木板上，
兩個零件用焊接或螺絲鎖在一起等等，
類似狀況非常多，可以說是不勝枚舉。

但是若去仔細了解兩個面之間發生甚麼狀況，
那就有非常多的狀況，
例如海報黏在木板上，通常不會整面上膠(膠水、白膠、膠帶、噴膠...)，
所以在整面海報跟木板之間就有三種情況：
"黏在一起"，"靠著"，"分開"。

黏著：
不管在那個方向移動紙張或木板，黏住的位置提供了兩者間的運動交互關係為一起移動。

靠著：
往上拉可以有限度的拉起紙張，往下壓則會有木板擋住不動。

分開：
往上拉也可以有限度拉高紙張，往下壓則會再碰到木板時停下來。

其中黏著就是接觸條件中的"已連接"，
靠著跟分開就是接觸條件中的"分隔"。

從上面的敘述中，
接觸條件就是描述元件之間的相互運動的關聯性，
而運動的關聯性會與力量的傳遞有關係，
從牛頓第三定律的作用力等於反作用力來解釋，
紙張移動時提供一個拉力拉著木板，相反的木板也提供一個拉力拉著紙張，
這兩個力量是相等的，方向相反，不論上下左右方向，
所以黏在一起動會元件對元件傳遞所有力量，會分開的不會傳遞力量，
仔細分還有一種有摩擦力的狀況會傳遞水平方向的部分力量，
跟面之間有會變形黏膠傳遞力量等等的多種狀況，
但是 Inventor 應力分析不支援接觸面上有摩擦力，
基本上是不允許滑動發生，一旦發生滑動就不是靜態，
會發生計算發散的狀況，
如果有計算結果，會看到很大的位移量。

當紙張與木板是分開或靠著時，
往上拉的力量不會直接拉動木板，
所以可以有限度地往上移動，
直到紙張拉伸到黏住位置時就必須要拉著木板一起移動；
但是往下壓時，紙張一碰到木板就停下來無法穿透；
這兩種情況的接觸條件就是"分隔"。

兩個面之間的相互動運動關係，可以分成與面平行跟垂直兩個方向，
通常面的方向定義可以舉平面為例：
垂直平面向著實體外面定義為面的法線方向，
通常就是以面的法線方向當作面的方向。

了解面的法線方向，
就可以來解釋"分隔/無滑動"跟"滑動/無分隔"這兩個接觸條件，
這兩個接觸條件算是"分隔"這個條件的額外限制狀況：

"分隔/無滑動"：
限制兩個面發生水平方向的移動，跟兩者接觸後不會互相穿透，但是可以被拉開；

"滑動/無分隔"：
限制兩個面發生在法線方向的相互移動，但是允許在水平方向上移動；

再來是彈簧接觸：
前面有提到紙跟木板兩個面之間有黏膠存在，
假設黏膠的行為可以解釋成像 1 kgf / mm彈性係數彈的簧作用，
也就是拉開1mm會產生1 kgf的抵抗拉開的力量，
這就是接觸條件中最下方的"彈簧"接觸，
所以當給好在法線與水平方向上的勁度(彈性係數)時，
要把兩個面分開會有一定的抵抗力量。

"緊縮配合/滑動"跟"緊縮配合/無滑動"這兩個接觸條件：
跟上面說明的接觸條件比較上的主要差異在於"緊縮配合"這四個字；
在CAD中，模型可以設計成有干涉的狀態，
但是一般的真實世界中是不會發生固體物體互相穿透的情況，
"緊縮配合"就是用來指定在CAD中繪製成有干涉的兩個面，
並且讓應力分析計算讓干涉體積變成沒有干涉的狀態，
此時兩邊的體積材料都會受壓變形直到沒有干涉；
至於"滑動"就是允許在水平方向上移動，
"無滑動"就是不允許在水平方向上移動；
因為兩個面為干涉狀態，
所以在法線方向上會一直保持在接觸的狀態，不允許分開。

以上這7個接觸條件可以用來描述進行模擬分析時，元件接觸面上的關係，
在多數的靜態結構應用上，因為不會有相互運動的現象，
因此使用"已連接"這個條件基本上是可以符合多數的狀況，
但是要注意力量的作用方向。