ansys实例-正确地模拟过盈配合 联系客服

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过盈配合在机械产品的装配中使用的相当普遍。比如轴与轴承、轴与轴瓦、汽车的制动盘等,都是通过一定的过盈量来使两个装配部件紧密地连接起来。

下面讨论如何在 ANSYS 中正确地模拟过盈配合。

过盈配合在有限元分析中是一种典型的非线性接触行为。在有限元分析中设定了接触,从本质上来讲就是对相互接触的两个部件施加了某种约束,不同的接触算法对于接触约束的处理方法有所不同。接触约束的理论算法的选择,在 ANSYS 中是通过设置 contact 单元的 KEOPT(2) 选项来实现的。

在 ANSYS 中目前主要有 5 种接触约束算法:

KEYOPT(2)=0 Augmented Lagrangian - 加强的拉格朗日算法, 这是 ANSYS 的缺省选择;

KEYOPT(2)=1 Penalty function - 罚函算法;

KEYOPT(2)=2 Multipoint constraint (MPC) - 多点约束算法; KEYOPT(2)=3 Lagrange multiplier on contact normal and penalty on tangent -

接触法向采用拉格朗日乘子,接触切向采用罚函数的综合算法。

KEYOPT(2)=4 Pure Lagrange multiplier on contact normal and tangent - 法向和切向均采用拉格朗日乘子算法。

各种不同的约束算法各有其优缺点,各有各自最适用的场合,具体情况需要具体对待。大部分情况下,默认选择KEYOPT(2)=0 就够用了。 过盈配合所致的接触分析的难点在于如何确定初始接触状态。初始

接触状态设置得不对,会导致错误的计算结果或者不准确的计算结果,下面举两个例子来说明。ANSYS仿真计算代做:模态分析,瞬态动

力学,谐响应分析和谱分析、械结构的疲劳、损伤,CFD流体;结构的强度评估和优化; 企鹅:690294845

例1.两个圆柱体在几何上是刚好接触,划分网格后有限元模型有间隙。如图 1 所示。

这两个圆柱体,在几何上是刚好相切的,即处于几何上刚好接触的初始状态。划分网格后,由于在圆周上用小段直线代替了弧线,两个圆柱体之间产生了一定的间隙,两个圆柱体的有限元模型的初始状态不再是接触的。此时,如果接触参数设置不当,就会因为初始约束不足,圆柱体出现刚体位移,得到错误的结果。

(说明:例 1 本来与设置过盈量是无关的,为了说明初始接触状态的重要性顺带说说。)

例2.有的人把两个接触部件的几何位置设定一定的过盈量,想用这个过盈量来模拟过盈配合,这种做法是错误的,几何上的过盈量不等于划分网格后有限元模型的实际过盈量。

下面的图 2 中,是一个孔类零件和一个轴类零件的截面图,轴和孔在几何位置上预设了过盈量。(内圈的红色圆是孔边界,外圈的蓝色圆是轴边界,轴和孔在几何上是相互侵入的)。

在几何上,图 2 的轴和孔有一定的过盈配合量,其大小等于两个圆的半径之差,我们的本意是想用这个几何位置上的过盈量来模拟过盈配合。

不幸的是,两个部件划分网格之后,实际的过盈量应该为单元之间的距离,即图中靠得比较近的两条线段之间的距离,显然,这个距离不再等于我们预先设置的过盈量了。更何况,上面这个图还是两个部件的网格对得比较整齐的情况,如果网格对得不整齐,过盈量就和我们预设的差得更远了。对于过盈配合来讲,过盈量的数值变化对于过盈产生的应力的影响是很大的。

在 ANSYS 中,要正确的设置过盈配合,主要分 3 步:

第一步:设置 KEYOPT(9) = 4

KEYOPT(9) 的默认值为 0,意思是既考虑两个接触部件由于初始几何位置造成的初始侵入量 (或者间隙),同时也考虑 CNOF 参数设置的偏移量。意即接触部件的初始接触状态是由 CNOF 和初始侵入量 (或间隙) 共同决定的。在这种情况下,两个接触部件的初始几何位置对初始接触状态是有影响的,这对于准确设置过盈量是很不利的。(前面例 2 已经说明了通过几何位置设置初始过盈量是不准确的)。

在设置了 KEOPT(9) = 4 之后,程序在计算初始接触状态的时候就只考虑 CNOF 的设置值,不考虑接触部件的几何位置造成的侵入或间隙,而且过盈量是以 ramp 方式施加的。(ramp 施加方式即逐步施加)。

第二步:通过设置 Icont 实常数

划分网格后,通常情况下,Target surface 和 contact surface 上的单元之间会有间隙或者过盈量,如果间隙或者过盈量在 Icont 设定误差范围内,间隙或者过盈量会被消除掉,程序会使 contact surface 和 target surface 上的单元处于刚好接触的状态。这个值的的具体设置可以参见帮助文档,本文中设置为 0.2。

第三步:通过设置实常数 CNOF 来设置过盈量

在第二步中,通过 Icont 的设置,已经使得 Contact surface 上的单元和 Target surface 上面的单元处于刚好接触的位置了,此时再设置 CNOF,CNOF 的值就是过盈量。(CNOF 的本意并不是过盈量,只是在有了前面的设定后,它的值就是我们所要的过盈量,其具体含义请参考 ANSYS 的帮助文档)。

下面这个例子实际上是一本 ANSYS 书上的一个例子,这个例子的 PDF 版本在网上流传甚广,但是原书上的分析结果是错误的,具体错误之处,将在后面提及。 例3.一个简单的轴和带孔圆盘的过盈配合的实例。 圆盘的基本尺寸为:

内径 Rpin = 35 mm (原书中此值为 34 mm),外径 Rpout = 100 mm,盘高 Hp = 25mm;