ansys實例-正確地模擬過盈配合

1、過盈配合在機械產(chǎn)品的裝配中使用的相當(dāng)普遍。比如軸與軸承、軸與軸 瓦、汽車的制動盤等，都是通過一定的過盈量來使兩個裝配部件緊密地 連接起來。下面討論如何在ANS YS中正確地模擬過盈配合。過盈配合在有限元分析中是一種典型的非線性接觸行為。在有限元 分析中設(shè)定了接觸，從本質(zhì)上來講就是對相互接觸的兩個部件施加了某 種約束，不同的接觸算法對于接觸約束的處理方法有所不同。接觸約束 的理論算法的選擇，在 ANS YS中是通過設(shè)置 con tact單元的 KEOPT (2)選項來實現(xiàn)的。在ANSYS中目前主要有5種接觸約束算法：KEY OPT(2)=0Augme nted Lagra ngian - 加強的

2、拉格朗日算法，這是ANSYS的缺省選擇；KEY OPT(2)=1Pen alty fun ction -罰函算法；KEY OPT(2)=2Multipoi nt con strai nt (MPC)-多點約束算法；KEY OPT(2)=3Lagra nge multiplier on con tact no rmal andpen alty on tangent-接觸法向采用拉格朗日乘子，接觸切向采用罰函數(shù)的綜合算法。KEY OPT(2)=4Pure Lagra nge multiplier on con tact no rmaland tangent -法向和切向均采用拉格朗日乘子算法。各種

3、不同的約束算法各有其優(yōu)缺點，各有各自最適用的場合，具體 情況需要具體對待。大部分情況下，默認(rèn)選擇KEYOPT(2)=0就夠用了。過盈配合所致的接觸分析的難點在于如何確定初始接觸狀態(tài)。初始接觸狀態(tài)設(shè)置得不對，會導(dǎo)致錯誤的計算結(jié)果或者不準(zhǔn)確的計算結(jié)果， 下面舉兩個例子來說明。ANS YS仿真計算代做：模態(tài)分析，瞬態(tài)動力學(xué)，諧響應(yīng)分析和譜分析、械結(jié)構(gòu)的疲勞、損傷，CFD流體;結(jié)構(gòu)的強度評估和優(yōu)化；企鵝：690294845例1.兩個圓柱體在幾何上是剛好接觸，劃分網(wǎng)格后有限元模型有間 隙。如圖1所示。圖1兩個在幾何上剛好糕觸的園柱棒這兩個圓柱體，在幾何上是剛好相切的，即處于幾何上剛好接觸的初始狀態(tài)。劃分

4、網(wǎng)格后，由于在圓周上用小段直線代替了弧線，兩個圓 柱體之間產(chǎn)生了一定的間隙，兩個圓柱體的有限元模型的初始狀態(tài)不再 是接觸的。此時，如果接觸參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，就會因為初始約束不足，圓 柱體出現(xiàn)剛體位移，得到錯誤的結(jié)果。（說明：例1本來與設(shè)置過盈量是無關(guān)的，為了說明初始接觸狀態(tài)的重要性順帶說說。）例2.有的人把兩個接觸部件的幾何位置設(shè)定一定的過盈量， 想用這 個過盈量來模擬過盈配合，這種做法是錯誤的，幾何上的過盈量不等于 劃分網(wǎng)格后有限元模型的實際過盈量。下面的圖2中，是一個孔類零件和一個軸類零件的截面圖，軸和孔 在幾何位置上預(yù)設(shè)了過盈量。（內(nèi)圈的紅色圓是孔邊界，外圈的藍(lán)色圓 是軸邊界，軸和孔在幾何上

5、是相互侵入的 ）。幾何上預(yù)設(shè)的11盈量未必等于有限元模塞中的實際過盈量圖2 一個軸類零件和孔類零件過盈配合的示意在幾何上，圖2的軸和孔有一定的過盈配合量，其大小等于兩個圓的半徑之差，我們的 本意是想用這個幾何位置上的過盈量來模擬過盈配合。不幸的是，兩個部件劃分網(wǎng)格之后，實際的過盈量應(yīng)該為單元之間的距離，即圖中靠得比較近的兩條線段之間的距離，顯然，這個距離不再等于我們預(yù)先設(shè)置的過盈量了。更何況，上面這個圖還是兩個部件的網(wǎng)格對得比較整齊的情況，如果網(wǎng)格對得不整齊，過盈量就和我們預(yù)設(shè)的差得更遠(yuǎn)了。 對于過盈配合來講， 過盈量的數(shù)值變化對于過盈產(chǎn)生的應(yīng)力的影響是很 大的。在ANSYS中，要正確的設(shè)置過

6、盈配合，主要分 3步：第一步：設(shè)置 KEY0PT（9） = 4KEY0PT（9）的默認(rèn)值為 0，意思是既考慮兩個接觸部件由于初始幾何位置造成的初始侵入量（或者間隙），同時也考慮CNOF參數(shù)設(shè)置的偏移量。意即接觸部件的初始接觸狀態(tài) 是由CNOF和初始侵入量（或間隙）共同決定的。在這種情況下，兩個接觸部件的初始幾 何位置對初始接觸狀態(tài)是有影響的，這對于準(zhǔn)確設(shè)置過盈量是很不利的。（前面例2已經(jīng)說明了通過幾何位置設(shè)置初始過盈量是不準(zhǔn)確的）。在設(shè)置了 KE0PT（9） = 4 之后，程序在計算初始接觸狀態(tài)的時候就只考慮CNOF的設(shè)置值，不考慮接觸部件的幾何位置造成的侵入或間隙，而且過盈量是以ramp方式

7、施加的。（ramp施加方式即逐步施加）。第二步：通過設(shè)置 Icont實常數(shù)劃分網(wǎng)格后，通常情況下，Target surface 和con tact surface 上的單元之間會有間隙或者過盈量，如果間隙或者過盈量在Icont設(shè)定誤差范圍內(nèi)，間隙或者過盈量會被消除掉，程序會使 contact surface 和target surface 上的單元處于剛好接觸的狀態(tài)。這個值的的具體設(shè)置可以參見幫助文檔，本文中設(shè)置為0.2。第三步：通過設(shè)置實常數(shù)CNOF來設(shè)置過盈量在第二步中，通過Icont的設(shè)置，已經(jīng)使得 Contact surface 上的單元和 Target surface 上面的單元處于

8、剛好接觸的位置了，此時再設(shè)置CNOF，CNOF的值就是過盈量。（CNOF的本意并不是過盈量，只是在有了前面的設(shè)定后，它的值就是我們所要的過盈量， 其具體含 義請參考ANSYS的幫助文檔）。下面這個例子實際上是一本ANSYS書上的一個例子，這個例子的PDF版本在網(wǎng)上流傳甚廣，但是原書上的分析結(jié)果是錯誤的，具體錯誤之處，將在后面提及。例3個簡單的軸和帶孔圓盤的過盈配合的實例。圓盤的基本尺寸為：內(nèi)徑 Rpin = 35 mm （原書中此值為 34 mm），外徑 Rpout = 100 mm ，盤高 Hp =25mm ；軸的基本尺寸為：內(nèi)徑 Rain = 25 mm，外徑 Raout = 35 mm

9、，軸長 La = 150 mm。（原書中圓盤孔內(nèi)徑為Rpin = 34 mm，和軸在幾何上形成1 mm的過盈量。由于結(jié)構(gòu)是完全軸對稱的，故可只取四分之一模型分析之。本例分析中，取過盈量f = 0.01 mm，而且本例僅僅計算由于過盈配合所產(chǎn)生的應(yīng)力。按照本例各個物理量所取的單位，最終的計算結(jié)果中，應(yīng)力單位應(yīng)該為MPa;完整的命令流如下：Fi nish/clear,start/TITLE,C on tact an alysis with in itial in terfere nce/PREP7!帶孔圓盤的基本尺寸；Rpi n=35Rpout=100Hp=25!軸的基本尺寸；Rai n=25Ra

10、out=35La=150!過盈量f;f=0.01!實體的單元類型為帶中間節(jié)點的 2階六面體單元；ET,1,solid186MP,EX,1,2.1E5!彈性模量；MP,PRXY,1,0.3! poisson 系數(shù);!生成帶孔圓盤的1/4實體模型；CYL4,0,0,Raout,0,Rpout,90,Hp!軸的1/4實體模型；CYL4,0,0,Rai n,0,Raout,90 ,La!把軸的位置沿著軸向移動一段距離；VGEN, ,2, , , , ,-10, , ,1!*對實體劃分網(wǎng)格*!*LESIZE,17, , ,15, , , , ,1LESIZE,19, , ,15, , , , ,1!*L

11、ESIZE,18, , ,2, , , , ,1LESIZE,20, , ,2, , , , ,1!*LESIZE,22, , ,20, , , , ,1!*LESIZE,5, , ,10, , , , ,1LESIZE,7, , ,10, , , , ,1!*LESIZE,6, , ,8, , , , ,1LESIZE,8, , ,8, , , , ,1!*LESIZE,10, , ,3, , , , ,1!*VSWEEP,ALL!*對實體劃分網(wǎng)格*I*網(wǎng)格劃分完畢*!*對實體劃分網(wǎng)格*!*對實體劃分網(wǎng)格*/COM, CONTACT PAIR CREATION - STARTMP,MU,1,

12、0.2MAT,1R,3REAL,3ET,2,170ET,3,1740.2;R,3,0.2,0.2,0.9,0! Ico nt系數(shù)設(shè)置為!*對實體劃分網(wǎng)格*!*對實體劃分網(wǎng)格*!設(shè)置過盈量為 f;RMORE,1.0E20,f,1.0,0RMORE,0.0,0,1.0,1.0,0RMORE,0,1.0,1.0,0.0,1.0KEYOPT,3,4,OKEYOPT,3,5,0NROPT,UNSYMKEYOPT,3,7,0KEYOPT,3,8,0!KEYOPT(9)=4;!不考慮初始幾何位置造成的過盈或者間隙，!只考慮CNOF參數(shù)設(shè)置的值，即過盈量。KEYOPT,3,9,4KEYOPT,3,10,2KE

13、YOPT,3,11,0KEYOPT,3,12,0KEYOPT,3,2,0KEYOPT,2,5,0! Gen erate the target surfaceASEL,S,4CM,_TARGET,AREATYPE,2NSLA,S,1ESLN,S,0ESLL,UESEL,U,ENAME,188,189ESURFCMSEL,S,_ELEMCM! Gen erate the con tact surfaceASEL,S,9CM,_CONTACT,AREATYPE,3NSLA,S,1ESLN,S,0ESURFALLSELESEL,ALLESEL,S,TYPE,2ESEL,A,TYPE,3ESEL,R,R

14、EAL,3/PSYMB,ESYS,1/PNUM,TYPE,1計算結(jié)果:/NUM,1EPLOTESEL,ALL/COM, CONTACT PAIR CREATION - ENDFINISH/SOLFLST,2,4,5,ORDE,4FITEM,2,5FITEM,2,-6FITEM,2,11FITEM,2,-12DA,P51X,SYMMFLST,2,1,5,ORDE,1FITEM,2,3/GODA,P51X,ALL,!*ANTYPE,0NLGEOM,1NSUBST,1,0,0AUTOTS,0TIME,100/STATUS,SOLUSOLVEFINISH/POST1SET,1,LAST,1,PLNSOL,s,eqvstress;esel,s,e name,174PLNSOL, CONT,PRES, 0,1.0設(shè)置對稱約束;必須打開大變形效應(yīng);查看單元的Von Mises在contact 單元上查看 contactpressure;SAVE計算結(jié)果:NuiAL3TTF-1-1Tm-iwCriHTFFZZ (AV3BIK： -ZZ. 352計算結(jié)果:計算結(jié)果:呃啦 競XJUTI期芳TEP叭ilMi 1丁皿5ZW琳口敬叭町W診射 齊! “00汨海 趣 5.746aSer193414.901 ri9.aafl2 占的1.45117,36522 山爺砂*尸=北 with 亠cu