有限元軟件ansys在接觸分析中的應(yīng)用

有限元軟件ansys在接觸分析中的應(yīng)用

0接觸問題的分析接觸問題主要存在于機(jī)械工程和土木工程等領(lǐng)域，這是一個(gè)高度非線性的問題。多數(shù)的接觸問題中接觸區(qū)域是未知的,表面與表面會突然接觸或突然不接觸,這會導(dǎo)致系統(tǒng)剛度的突然變化;另外接觸問題往往涉及摩擦響應(yīng)的求解,結(jié)果難以收斂。有限元接觸分析計(jì)算的結(jié)果能較好地符合實(shí)際工程情況,逐漸受到人們的關(guān)注。而ANSYS軟件的接觸分析就是基于這種方法,并得到了廣泛的應(yīng)用。1分析無性系接觸的介紹ANSYS具有強(qiáng)大的前處理,求解和后處理功能。(1)材料中的-柔體接觸ANSYS中的接觸問題分為2種類型,剛體-柔體的接觸和柔體-柔體的接觸。對于前者,可以認(rèn)為是完全剛性的,沒有應(yīng)變、應(yīng)力和變形,適用于一種軟材料與一種硬材料接觸的情形;而后者,適用于接觸剛度相近的兩接觸變形體,是應(yīng)用最為普遍的類型。(2)點(diǎn)-面的接觸單元ANSYS通過建立在接觸面上的接觸單元與接觸物體連接、組裝、建立接觸系統(tǒng)整體平衡方程。在創(chuàng)建接觸問題的模型時(shí),首先認(rèn)清模型中可能相互接觸的部分,如果相互作用的其中之一是一點(diǎn),模型的對應(yīng)組元是節(jié)點(diǎn);如果相互作用的其中之一是一個(gè)面,模型的對應(yīng)組元是單元。有限元模型通過指定的接觸單元識別可能的接觸對。ANSYS支持點(diǎn)-點(diǎn)接觸,點(diǎn)-面接觸和面-面接觸3種接觸方式。每種接觸方式使用不同的接觸單元集,各自適用于特定的接觸類型。點(diǎn)-點(diǎn)接觸單元主要用于模擬點(diǎn)-點(diǎn)的接觸行為,比如傳統(tǒng)的管道裝配模型中采用點(diǎn)-點(diǎn)接觸單元來模擬管端和約束之間的接觸模型。使用這類接觸單元,需要預(yù)先知道接觸位置,且只適用于接觸面之間有較小相對滑動的情況。如果2個(gè)面上的節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng),相對滑動又可以忽略不計(jì),2個(gè)面撓度(轉(zhuǎn)動)保持小量,那么可以用點(diǎn)-點(diǎn)的接觸單元來求解面-面的接觸問題。比較典型的是過盈裝配問題中采用點(diǎn)-點(diǎn)接觸單元來模擬面-面的接觸問題。Conta178單元是大多數(shù)點(diǎn)-點(diǎn)接觸問題的最好選擇,此外還有contal2和conta52作為補(bǔ)充。點(diǎn)-面接觸單元主要用于給點(diǎn)-面的接觸行為建模,例如2根梁的相互接觸的梁端或尖角節(jié)點(diǎn),鉚頭裝配部件的角點(diǎn)。使用點(diǎn)-面接觸單元,不需要預(yù)先知道確切的接觸位置,接觸面之間也不需要保持一致的網(wǎng)格,并且允許有大的變形和大的相對滑動。如果通過一組節(jié)點(diǎn)來定義接觸面,生成多個(gè)單元,那么可以通過點(diǎn)-面的接觸單元來模擬面-面的接觸問題。典型的例子是插頭插到插座里的模型。其中,面既可以是剛性體也可以是柔性體,AN-SYS提供conta48,conta49,conta26三種點(diǎn)-面接觸單元。其中,conta26單元用來模擬柔性點(diǎn)-剛性面的接觸。面-面接觸單元有許多優(yōu)點(diǎn),ANSYS支持剛體-柔體和柔體-柔體的面-面的接觸單元,剛性面被當(dāng)作“目標(biāo)”面,分別用Targe169和Targe170來模擬2D和3D的“目標(biāo)”面,柔性體的表面被當(dāng)作“接觸”面,分別選用Conta171,Conta172和Conta173,Conta174來模擬2D和3D的“接觸”面。面-面接觸單元很適合于過盈裝配安裝接觸或嵌入接觸,鍛造,深拉問題。(3)面定義為接觸面、目標(biāo)面接觸面與目標(biāo)面的選擇可按以下原則進(jìn)行確定:將凸面、較軟的面定義為接觸面,凹面(平面)、較硬的面定義為目標(biāo)面;網(wǎng)格劃分較細(xì)、高階單元的面為接觸面,網(wǎng)格劃分較粗、低階單元的面為目標(biāo)面;面積較小的面為接觸面,面積較大的面為目標(biāo)面。(4)德洛伊木馬算法的總結(jié)接觸算法的選擇會影響計(jì)算結(jié)果的收斂性和準(zhǔn)確性。ANSYS提供罰函數(shù)法、拉格朗日法、內(nèi)部多點(diǎn)約束法等接觸算法。2一般過程和要點(diǎn)如圖1所示為ANSYS接觸分析的流程。(2)anasas的模型導(dǎo)入實(shí)體模型可以通過CAD軟件(如PRO/E,UG,Solidworks,Solidedge,MDT,CATIA等)創(chuàng)建并通過相應(yīng)的接口導(dǎo)入ANSYS中。在具體導(dǎo)入時(shí)一般有以下幾種方法:①一般是將CAD中的模型保存為iges的格式,然后導(dǎo)入到ANSYS中,這是使用最為廣泛的方法;②利用ANSYS和CAD軟件的接口,可以直接在ANSYS中打開來自CAD軟件的模型;③通過安裝特殊的程序(比如在ANSYS程序中安裝PRO/E-ANSYS接口程序),可在CAD軟件的界面下直接進(jìn)入到ANSYS界面中。但這些方法在模型導(dǎo)入后一般需要對模型做一些修改(比如進(jìn)行布爾操作等)才能使用。另外還可以利用ANSYS自帶的建模功能來創(chuàng)建模型,但其功能相對較弱,一般適用于建立形狀簡單的模型。(3)接觸部分的長度網(wǎng)格劃分在接觸分析中,是否合理會嚴(yán)重影響結(jié)果的收斂性和精確性。單元越小,結(jié)果越準(zhǔn)確和容易收斂,消耗的計(jì)算機(jī)資源也越大,但為了滿足計(jì)算精度的要求,接觸部分的單元尺寸必須小于接觸橢圓的短半軸的長度。所以對接觸部分的網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化,非接觸部分的網(wǎng)格尺寸應(yīng)盡量取大,這樣既可以達(dá)到節(jié)約系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間和資源,又能夠更大程度上滿足計(jì)算精度的要求。(4)建接觸單元接觸分析與一般分析最大的不同之處就是在加載求解之前必須創(chuàng)建接觸單元。ANSYS中分別用ESURF,GCGEN和E、EINTF生成面-面,點(diǎn)-面和點(diǎn)-點(diǎn)接觸單元,也可以用接觸向?qū)擅?面和點(diǎn)-面(conta175)接觸單元。3實(shí)例分析3.1自動裝卸裝置上開式扇形門箕斗的曲軌卸載裝置是目前公認(rèn)的箕斗卸載的理想裝置。它利用曲軌中滑動的卸載輪子通過輪軸帶動扇形門運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)自動卸載功能。因其結(jié)構(gòu)簡單,無需施加外動力而廣泛應(yīng)用于各類礦井中。通過分析計(jì)算輪子與曲軌之間的接觸壓力,為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)測試提供一定的參考。3.2接觸單元及其約束條件在ANSYS中建立輪軌模型,輪子壓在曲軌的擋板上,輪軸對輪子的壓力為40kN,材料的彈性模量為2.12×105MPa,泊松比為0.3。曲軌與輪子均采用SOLID92單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分,并細(xì)化接觸部分網(wǎng)格,使接觸應(yīng)力的求解結(jié)果更為準(zhǔn)確。通過接觸向?qū)擅?面接觸單元并設(shè)置相應(yīng)參數(shù),生成有限元模型(略)。曲軌的4個(gè)螺栓孔采用全約束,輪子中心孔加均布力,大小為2.42MPa,模擬輪軸設(shè)置相應(yīng)的約束,設(shè)置求解選項(xiàng)進(jìn)行求解。曲軌應(yīng)力與接觸面壓力分布圖分別如圖2和圖3所示。其中接觸壓力峰值為209MPa。3.3有限元計(jì)算結(jié)果赫茲公式的假設(shè)有4點(diǎn),在此假設(shè)曲軌模型滿足其所有假設(shè)條件,應(yīng)用赫茲公式計(jì)算的理論值其中由此可見,有限元計(jì)算結(jié)果偏小,說明理論假設(shè)的保守性。3.4模擬結(jié)果的約束接觸問題的分析十分復(fù)雜,而且結(jié)果很容易出現(xiàn)不收斂現(xiàn)象,在實(shí)際分析過程中應(yīng)注意的以下幾個(gè)問題:(1)多次調(diào)整接觸部分網(wǎng)格的大小以及接觸區(qū)域的大小,以盡量節(jié)省計(jì)算機(jī)資源,并得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。(2)輪子應(yīng)施加模擬輪軸的約束,比如選擇適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)(如:節(jié)點(diǎn)9052,9054,9108,9109等