基于ansys的過盈配合接觸應(yīng)力分析.doc

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1、基于ansys的過盈配合接觸應(yīng)力分析摘要介紹了基于ansys的接觸分析步驟，并通過ansys軟件，將對一個盤軸緊配合結(jié)構(gòu)進行接觸分析，來說明接觸分析的有限元計算方法。關(guān)鍵詞ansys過盈配合接觸分析引言在工程結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常會遇到大量的接觸問題?；疖囓囕喤c鋼軌之間，齒輪的嚙合是典型的接觸問題。接觸問題是一種高度非線性行為，需要較大的計算資源，為了進行實為有效的計算，理解問題的特性和建立合理的模型是很重要的。接觸問題存在兩個較大的難點：其一，在你求解問題之前，你不知道接觸區(qū)域，表面之間是接觸或分開是未知的，突然變化的，這隨載

2、荷、材料、邊界條件和其它因素而定；其二，大多的接觸問題需要計算摩擦，有幾種摩擦和模型供你挑選，它們都是非線性的，摩擦使問題的收斂性變得困難。本文以ansys軟件為工具，以某轉(zhuǎn)子中軸和盤的連接為例，分析軸和盤的過盈配合的接觸應(yīng)力。1.面面接觸分析的步驟：在涉及到兩個邊界的接觸問題中，很自然把一個邊界作為“目標”面而把另一個作為“接觸”面，對剛體—柔體的接觸，“目標”面總是剛性的，“接觸”面總是柔性面，這種兩個面合起來叫作“接觸對”。使用Targe169和Conta171或Conta172來定義2D接觸對，使用Targe1

3、70和Conta173或Conta174來定義3D接觸對，程序通過相同的實常數(shù)號來識別“接觸對”。在接觸問題中，兩個相互接觸的物體必須滿足邊界不穿透的約束條件，施加邊界不穿透約束的方法主要有罰函數(shù)算法和擴增的拉格朗日算法。罰函數(shù)算法是在總勢能泛函中加入懲罰項，來近似滿足接觸約束條件。從物理意義上講，罰函數(shù)法相當于在接觸邊界上加入線彈簧以防止接觸面之間的相互滲透，而罰函數(shù)因子相當于彈簧的剛度系數(shù)。罰函數(shù)法的優(yōu)點在于不增加系統(tǒng)未知數(shù)總數(shù)，可保持剛度矩陣的對稱性，提高了求解效率，但罰函數(shù)因子的取值對計算結(jié)果的精度影響很大，必

4、須根據(jù)滲透情況對其進行多次調(diào)整。擴增的拉格朗日算法是為了找到精確的拉格朗日乘子而對罰函數(shù)修正項進行反復(fù)迭代，與罰函數(shù)的方法相比，拉格朗日方法不易引起病態(tài)條件，對接觸剛度的靈敏度較小，然而，在有些分析中，擴增的拉格朗日方法可能需要更多的迭代，特別是在變形后網(wǎng)格變得太扭曲時。FTLON是為拉格朗日算法指定容許的最大滲透量，如果程序發(fā)現(xiàn)滲透大于此值時,即使不平衡力和位移增量己經(jīng)滿足了收斂準則，總的求解仍被當作不收斂處理，F(xiàn)TLON的缺省值為0.1，可以根據(jù)具體情況調(diào)整這個值,但要注意如果此值太小可能會造成太多的迭代次數(shù)或者不

5、收斂。罰函數(shù)算法和拉格朗日算法都需要定義接觸剛度，兩個互相接觸表面之間滲透量的大小取決于接觸剛度，過大的接觸剛度可能會引起剛矩陣的病態(tài)，而造成收斂困難，一般來說，應(yīng)該選取足夠大的接觸剛度以保證接觸滲透小到可以接受，但同時又應(yīng)該讓接觸剛度足夠小以使不會引起剛矩陣的病態(tài)問題而保證收斂性。程序會根據(jù)變形體單元的材料特性來估計一個缺省的接觸剛度值，ANSYS通過實常數(shù)FKN來為接觸剛度指定一個比例因子，比例因子一般在0.01和0.1之間，當避免過多的迭代次數(shù)時，應(yīng)該盡量使?jié)B透到達極小值，即選擇較大的接觸剛度。較為合適的接觸剛度

6、值可以經(jīng)過反復(fù)驗證得到，開始時應(yīng)該取較小的，逐步取較大的值,如果收斂困難就停止驗證，選擇收斂較容易的FKN中的最大值作為接觸剛度。執(zhí)行一個典型的面—面接觸分析的基本步驟列示如下：1．建立模型，并劃分網(wǎng)格；2．識別接觸對；3．指定接觸面和目標面；4．定義剛性目標面；5．定義柔性接觸面；6．設(shè)置單元關(guān)鍵字和實常數(shù)；7．定義／控制剛性目標面的運動；8．給定必須的邊界條件；9．定義求解選項和載荷步；10．求解接觸問題；11．查看結(jié)果。在本例中，軸和盤用同一種材料，一些基本的參數(shù)如下：彈性模量：EX=2.1e5泊松比：NUXY=

7、0.3接觸摩擦系數(shù)：MU=0.2本實例的軸為一等直徑空心軸，盤為等厚度圓盤，其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示。2.有限元模型建立步驟1定義單元類型本實例分析的問題中涉及到大變形，故選用Solid185單元類型來建立本實例的模型。本接觸問題屬于面面接觸，目標面和接觸面都是柔性的，將使用接觸單元TARGE170和CONTA174來模擬接觸面。接觸單元在分析過程中使用接觸向?qū)r可以自動添加，這里就不再添加。如圖2所示。圖1結(jié)構(gòu)圖圖2單元類型添加步驟2定義材料特性盤軸使用同一種材料類型，所以只需定義一種材料就可以了。如圖3所示，其中EX

8、為彈性模量，PRXY為泊松比。圖3材料特性圖4盤軸配合模型步驟3建立模型并進行網(wǎng)格劃分由于該模型為對稱模型，考慮到求解簡單的問題，固只作出其四分之一模型，然后添加對稱約束，所建立的集合模型如圖4所示。在建立完模型后，須對其進行網(wǎng)格劃分，考慮到主要研究軸的受力情況，所以軸的網(wǎng)格劃分要精細一些。指定軸周向為30份，徑向4份，盤周向30