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在ANSYS中正确地模拟过盈配合 (1) (转贴,略改)  

2010-11-12 06:35:32|  分类: ANSYS 一般 |  标签: |举报 |字号 订阅

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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。
    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。
                               在ANSYS中正确地模拟过盈配合 (1) (转贴,略改) - htbbzzg - htbbzzg的博客

    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ANSYS中正确地模拟过盈配合 (1) (转贴,略改) - htbbzzg - htbbzzg的博客

    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;
    轴的基本尺寸为:
        内径 Rain = 25 mm,外径 Raout = 35 mm,轴长 La = 150 mm。
        (原书中圆盘孔内径为 Rpin = 34 mm,和轴在几何上形成 1 mm 的过盈量。
    由于结构是完全轴对称的,故可只取四分之一模型分析之。
    本例分析中,取过盈量 f = 0.01 mm,而且本例仅仅计算由于过盈配合所产生的应力。
    按照本例各个物理量所取的单位,最终的计算结果中,应力单位应该为 MPa;

    完整的命令流如下:
        Finish
        /clear,start
        /TITLE,Contact analysis with initial interference
        /PREP7
        !  带孔圆盘的基本尺寸;
        Rpin=35
        Rpout=100
        Hp=25
        !  轴的基本尺寸;
        Rain=25
        Raout=35
        La=150
        !  过盈量 f;
        f=0.01
        !  实体的单元类型为带中间节点的2阶六面体单元;
        ET,1,solid186
        MP,EX,1,2.1E5                                                  ! 弹性模量;
        MP,PRXY,1,0.3                                                 ! poisson系数;
        !  生成带孔圆盘的1/4实体模型;
        CYL4,0,0,Raout,0,Rpout,90,Hp
        !  轴的 1/4 实体模型;
        CYL4,0,0,Rain,0,Raout,90,La
        !  把轴的位置沿着轴向移动一段距离;
        VGEN, ,2, , , , ,-10, , ,1
        !
        !
        !
        !************对实体划分网格 ****************************
        !*
        LESIZE,17, , ,15, , , , ,1
        LESIZE,19, , ,15, , , , ,1
        !*
        LESIZE,18, , ,2, , , , ,1
        LESIZE,20, , ,2, , , , ,1
        !*
        LESIZE,22, , ,20, , , , ,1
        !*
        LESIZE,5, , ,10, , , , ,1
        LESIZE,7, , ,10, , , , ,1
        !*
        LESIZE,6, , ,8, , , , ,1
        LESIZE,8, , ,8, , , , ,1
        !*
        LESIZE,10, , ,3, , , , ,1
        !*
        VSWEEP,ALL
        !*************网格划分完毕**********************************
        !
        !
        /COM, CONTACT PAIR CREATION - START
        MP,MU,1,0.2
        MAT,1
        R,3
        REAL,3
        ET,2,170
        ET,3,174
        R,3,,,0.2,0.2,0.9,0                                           ! Icont 系数设置为 0.2;
        !  设置过盈量为 f;
        RMORE,,,1.0E20,f,1.0,0
        RMORE,0.0,0,1.0,,1.0,0
        RMORE,0,1.0,1.0,0.0,,1.0
        KEYOPT,3,4,0
        KEYOPT,3,5,0
        NROPT,UNSYM
        KEYOPT,3,7,0
        KEYOPT,3,8,0
        !KEYOPT(9)=4;
        !  不考虑初始几何位置造成的过盈或者间隙,
        !  只考虑 CNOF 参数设置的值,即过盈量。
        KEYOPT,3,9,4
        KEYOPT,3,10,2
        KEYOPT,3,11,0
        KEYOPT,3,12,0
        KEYOPT,3,2,0
        KEYOPT,2,5,0
        ! Generate the target surface
        ASEL,S,,,4
        CM,_TARGET,AREA
        TYPE,2
        NSLA,S,1
        ESLN,S,0
        ESLL,U
        ESEL,U,ENAME,,188,189
        ESURF
        CMSEL,S,_ELEMCM
        ! Generate the contact surface
        ASEL,S,,,9
        CM,_CONTACT,AREA
        TYPE,3
        NSLA,S,1
        ESLN,S,0
        ESURF
        ALLSEL
        ESEL,ALL
        ESEL,S,TYPE,,2
        ESEL,A,TYPE,,3
        ESEL,R,REAL,,3
        /PSYMB,ESYS,1
        /PNUM,TYPE,1
        /NUM,1
        EPLOT
        ESEL,ALL
        /COM, CONTACT PAIR CREATION - END
        FINISH
        /SOL
        FLST,2,4,5,ORDE,4
        FITEM,2,5
        FITEM,2,-6
        FITEM,2,11
        FITEM,2,-12
        DA,P51X,SYMM                                      !  设置对称约束;
        FLST,2,1,5,ORDE,1
        FITEM,2,3
        /GO
        DA,P51X,ALL,
        !*
        ANTYPE,0
        NLGEOM,1                                           ! 必须打开大变形效应;
        NSUBST,1,0,0
        AUTOTS,0
        TIME,100
        /STATUS,SOLU
        SOLVE
        FINISH
        /POST1
        SET,1,LAST,1,
        PLNSOL,s,eqv                                   ! 查看单元的Von Mises stress;
        esel,s,ename,,174
        PLNSOL, CONT,PRES, 0,1.0            ! 在contact 单元上查看contact pressure;
        SAVE

计算结果:
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    说明:修改 f 值即可修改过盈量。如果过盈量设置的过大,接触部件可能会产生塑性变形,如果要考虑塑性变形,则应该修改材料属性定义为塑性材料。

 
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