第13章有限元分析的裝配技術(shù)

1、第13章 有限元分析的裝配技術(shù)第1節(jié) 基本知識(shí)一、模型的歸檔與模型的合并裝配在實(shí)際問題中，創(chuàng)建的有限元模型最后必須裝配起來形成部件或裝配體。將每個(gè)有限元模型按一定規(guī)則寫出，供裝配時(shí)調(diào)用的過程叫模型的歸檔；將歸檔的不同有限元模型裝配起來，就是模型的合并過程，在模型的合并過程中必須注意合并模型的各種實(shí)體對(duì)象和屬性參數(shù)編號(hào)的沖突，避免發(fā)生重用編號(hào)等問題。ANSYS提供了進(jìn)行模型合并裝配的功能，執(zhí)行菜單Main Menu>Preprocessor>Archive> Model，有兩個(gè)選項(xiàng)：一個(gè)是Write，用于寫出各零件模型；另一個(gè)是Read，用于讀入各個(gè)零件模型。1模型的歸檔寫出執(zhí)

2、行菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Archive> Model>Write，彈出如圖13-1所示的模型歸檔寫出模型文件對(duì)話框，各項(xiàng)設(shè)置如下。 Data to Archive：選擇All Associated FE and IGES（2 file），寫出IGES文件和所有有限元模型及其相關(guān)文件信息，包括幾何信息、材料屬性、組件數(shù)據(jù)。 Archive file：輸入歸檔模型文件名，文件后綴為cdb。 IGES file：輸入IGES格式文件。圖13-1 模型歸檔寫出設(shè)置2模型的歸檔讀入執(zhí)行菜單路徑Main Menu>Preprocessor>

3、;Archive> Model>Read，彈出如圖13-2所示的模型歸檔讀入模型文件對(duì)話框，各項(xiàng)設(shè)置如下。 Data to Archive：選擇All Associated FE and IGES（2 file），讀入IGES文件和所有有限元模型及其相關(guān)文件信息，包括幾何信息、材料屬性、組件數(shù)據(jù)。 Archive file：輸入歸檔模型文件名，文件后綴為cdb。 IGES file：輸入IGES格式文件。對(duì)于多模型的合并操作，讀入歸檔模型時(shí)，必須與歸檔寫出時(shí)的操作完全對(duì)應(yīng)。圖13-2 模型歸檔讀入設(shè)置二、MPC多點(diǎn)約束裝配MPC即Mutipoint Constraint，多點(diǎn)約束方

4、程，其目的是將不連續(xù)、自由度不協(xié)調(diào)的單元網(wǎng)格連接起來，不需要連接邊界上的節(jié)點(diǎn)完全一致。MPC能夠連接以下模型。 SOLID模型SOLID模型。 SOLID模型SHELL模型。 SHELL模型SHELL模型。 SOLID模型BEAM模型。 SHELL模型BEAM模型。 FE模型載荷施加點(diǎn)。在ANSYS中，實(shí)現(xiàn)上述MPC技術(shù)有三種途徑。一是通過MPC184單元定義模型的剛性或二力桿的連接關(guān)系。定義MPC184單元模型與定義桿單元的操作完全一致，而MPC單元的作用可以是剛性桿（類似于CP，但允許考慮幾何大位移功能，三個(gè)自由度連接關(guān)系）或者剛性梁（六個(gè)自由度連接關(guān)系）。二是利用約束方程菜單路徑Main

5、 Menu>Preprocessor>Coupling>Shell/Solid Interface創(chuàng)建板殼實(shí)體之間的裝配關(guān)系。三是利用ANSYS接觸向?qū)Чδ芏x模型之間的裝配關(guān)系。選擇菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Modeling>create>Contact Pair，彈出接觸向?qū)?duì)話框，按提示創(chuàng)建接觸對(duì)，并將Basic選項(xiàng)卡中的Contact alogrithm（接觸算法）設(shè)置為MPC alogrithm，將behavior of contact surface設(shè)置為Bound（initial contact）。MPC技術(shù)還

6、支持大位移算法，在實(shí)際結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)比其它算法更準(zhǔn)確。MPC技術(shù)進(jìn)行有限元分析涉及模型歸檔的寫出、讀入技術(shù)，模型的臨界區(qū)域或者剛性區(qū)域的裝配技術(shù)，模型的接觸裝配技術(shù)和模型的MPC接觸裝配技術(shù)。第2節(jié) 裝配實(shí)體的有限元分析實(shí)例案例1裝配體的有限元分析a) 零件1：圓柱體 b) 零件2：軸座 c) 裝配體圖13-3 裝配模型示意圖問題如圖13-3所示，為軸和軸座的裝配示意圖。零件1為圓柱體，其半徑為0.15米，長2米。零件2為軸座，長為1米，厚為0.2米，高為1.5米，孔距底面1米，半徑0.15米，并與軸座上部半圓同心。將零件1裝配到零件2（2件）孔內(nèi)，且圓柱體的兩端面分別與軸座的側(cè)面平齊。裝配模型底

7、面固定，圓柱上部中間施加40 000N的力，計(jì)算裝配模型的應(yīng)力和變形情況。條件彈性模量為2.0×1011 N/m2，泊松比為0.3。解題過程第1步，創(chuàng)建零件11準(zhǔn)備工作（1）清空數(shù)據(jù)庫并開始一個(gè)新的分析 選取Utility>Menu>File>Clear & Start New，彈出Clears database and Start New對(duì)話框，單擊OK按鈕，彈出Verify對(duì)話框，單擊OK按鈕完成清空數(shù)據(jù)庫。（2）指定新的工作文件名 指定工作文件名。選取Utility>Menu> File>Change Jobname，彈出Change

8、 Jobname對(duì)話框，在Enter New Jobname項(xiàng)輸入工作文件名，本例中輸入的工作文件名為“11”，單擊OK按鈕完成工作文件名的定義。（3）指定新的標(biāo)題 指定分析標(biāo)題。選取Utility>Menu>File>Change Title，彈出Change Title對(duì)話框，在Enter New Title項(xiàng)輸入標(biāo)題名，本例中輸入“Cylinder”為標(biāo)題名，然后單擊OK按鈕完成分析標(biāo)題的定義。2定義單元類型運(yùn)行主菜單Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，彈出Element Type

9、s對(duì)話框，單擊Add按鈕新建單元類型，彈出Library of Element Types對(duì)話框，先選擇單元大類為Solid，接著選擇Brick 8nod 45（Solid45），單擊OK按鈕，完成單元類型選擇，單擊Close按鈕完成設(shè)置，如圖13-4所示。圖13-4 定義單元類型3定義材料屬性運(yùn)行主菜單Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models命令，系統(tǒng)顯示材料屬性設(shè)置對(duì)話框，在材料屬性對(duì)話框中依次選擇Structure、Linear、Elastic、Isotropic，如圖13-5所示。完成選擇后，彈出材料屬

10、性輸入對(duì)話框，分別輸入彈性模量2e11，泊松比0.3，如圖13-6所示，單擊OK按鈕完成材料屬性輸入并返回圖13-5。單擊對(duì)話框右上方“X”按鈕完成材料屬性設(shè)置。1234圖13-5 進(jìn)入材料屬性設(shè)置圖13-6 定義材料屬性4創(chuàng)建圓柱模型選擇菜單路徑Main Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Volumes>Cylinder>Solid Cylinder，彈出Solid Cylinder對(duì)話框，設(shè)置下列選項(xiàng)。 WP X：圓柱底面圓心X坐標(biāo)，輸入0。 WP Y：圓柱底面圓心Y坐標(biāo)，輸入0。 Radius：圓柱體的半徑，輸入0.

11、15。 Depth：圓柱體的高度，輸入2。等軸側(cè)顯示圖形。5劃分圓柱體網(wǎng)格運(yùn)行主菜單Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool命令，出現(xiàn)MeshTool菜單，按Size Control項(xiàng)中Globle后Set按鈕，彈出單元尺寸定義對(duì)話框，在Element edge length項(xiàng)中輸入0.05，按OK按鈕結(jié)束單元尺寸定義；Mesh項(xiàng)選擇Volume，Shape項(xiàng)選擇Hex，選擇Sweep（掃掠劃分器）；單擊Sweep按鈕劃分網(wǎng)格，在出現(xiàn)的Volume Sweep對(duì)話框中單擊Pick All按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)完成網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格結(jié)果如圖13-

12、7所示。圖13-7 劃分網(wǎng)格結(jié)果6定義加載關(guān)鍵點(diǎn)選擇菜單路徑Main Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Keypoints>In Active CS，定義關(guān)鍵點(diǎn)10，其坐標(biāo)為（0,0.15,1）。7寫出模型數(shù)據(jù)文件選擇菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Archive Model>Write，彈出寫歸檔文件對(duì)話框如圖13-1所示，輸出文件名定義為cylinder，具體設(shè)置如下。 Data to Archive：選擇All Associated FE and IGES（2 file），寫出IGE

13、S文件和所有有限元模型及其相關(guān)文件信息，包括幾何信息、材料屬性、組件數(shù)據(jù)。 Archive file：輸入歸檔文件名，cylinder.cdb。 IGES file：輸入IGES格式文件名，cylinder.iges。單擊OK按鈕結(jié)束。存儲(chǔ)有限元分析模型，退出前處理器。第2步，創(chuàng)建零件21準(zhǔn)備工作（1）清空數(shù)據(jù)庫并開始一個(gè)新的分析 選取Utility>Menu>File>Clear & Start New，彈出Clears database and Start New對(duì)話框，單擊OK按鈕，彈出Verify對(duì)話框，單擊OK按鈕完成清空數(shù)據(jù)庫。（2）指定新的工作文件名 指

14、定工作文件名。選取Utility>Menu> File>Change Jobname，彈出Change Jobname對(duì)話框，在Enter New Jobname項(xiàng)輸入工作文件名，本例中輸入的工作文件名為“22”，單擊OK按鈕完成工作文件名的定義。（3）指定新的標(biāo)題 指定分析標(biāo)題。選取Utility>Menu>File>Change Title，彈出Change Title對(duì)話框，在Enter New Title項(xiàng)輸入標(biāo)題名，本例中輸入“Block”為標(biāo)題名，然后單擊OK按鈕完成分析標(biāo)題的定義。2定義單元類型和材料屬性 與第1步之2，3相同。3創(chuàng)建軸座模型

15、（1）創(chuàng)建矩形 選擇菜單路徑Main Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Areas> Rectangle>By Dimensions，彈出創(chuàng)建矩形對(duì)話框，輸入坐標(biāo)如圖13-8所示。圖13-8 繪制矩形（2）創(chuàng)建圓 選擇菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas> Circle>Solid Circle命令，在對(duì)話框中分別輸入X=0，Y=1，Radius=0.5，單擊OK按鈕，完成。（3）平面相加 運(yùn)行主菜單Main Menu>P

16、reprocessor>Modeling>Operate>Booleans> Add>Areas命令，在彈出的拾取對(duì)話框中單擊Pick All按鈕完成布爾加操作。（4）拖拉面成體 選擇菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude> Areas>By XYX Offset，彈出拖拉面偏移量設(shè)置對(duì)話框，設(shè)置如圖13-9所示。單擊OK按鈕。圖13-9 拖拉面偏移設(shè)置（4）創(chuàng)建圓柱體 選擇菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Modeling>C

17、reate>Volumes> Cylinder>Solid Cylinder命令，在對(duì)話框中分別輸入X=0，Y=1，Radius=0.15，Depth=0.2，單擊OK按鈕完成。（5）布爾減操作 運(yùn)行主菜單Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate> Booleans>Subtract>Volumes命令，在彈出的拾取對(duì)話框中先拾取全部，單擊OK按鈕，再拾取小圓柱體，單擊OK按鈕完成布爾減操作。等軸側(cè)顯示圖形。4劃分軸座網(wǎng)格運(yùn)行主菜單Main Menu>Preprocessor>Meshing

18、>MeshTool命令，出現(xiàn)MeshTool菜單，按Size Control項(xiàng)中Globle后Set按鈕，彈出單元尺寸定義對(duì)話框，在Element edge length項(xiàng)中輸入0.1，按OK按鈕結(jié)束單元尺寸定義；Mesh項(xiàng)選擇Volume，Shape項(xiàng)選擇Hex，選擇Sweep（掃掠劃分器）；單擊Sweep按鈕劃分網(wǎng)格，在出現(xiàn)的Volume Sweep對(duì)話框中單擊Pick All按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)完成網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格結(jié)果如圖13-10所示。圖13-10 零件劃分網(wǎng)格結(jié)果5寫出模型數(shù)據(jù)文件選擇菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Archive Model&g

19、t;Write，彈出寫歸檔文件對(duì)話框如圖13-1所示，輸出文件名定義為block，具體設(shè)置如下。 Data to Archive：選擇All Associated FE and IGES（2 file），寫出IGES文件和所有有限元模型及其相關(guān)文件信息，包括幾何信息、材料屬性、組件數(shù)據(jù)。 Archive file：輸入歸檔文件名，block.cdb。 IGES file：輸入IGES格式文件名，block.iges。單擊OK按鈕結(jié)束。存儲(chǔ)有限元分析模型，退出前處理器。第3步，采用MPC技術(shù)裝配模型并求解及后處理1準(zhǔn)備工作（1）清空數(shù)據(jù)庫并開始一個(gè)新的分析 選取Utility>Menu&g

20、t;File>Clear & Start New，彈出Clears database and Start New對(duì)話框，單擊OK按鈕，彈出Verify對(duì)話框，單擊OK按鈕完成清空數(shù)據(jù)庫。（2）指定新的工作文件名 指定工作文件名。選取Utility>Menu> File>Change Jobname，彈出Change Jobname對(duì)話框，在Enter New Jobname項(xiàng)輸入工作文件名，本例中輸入的工作文件名為“Assembly”，單擊OK按鈕完成工作文件名的定義。（3）指定新的標(biāo)題 指定分析標(biāo)題。選取Utility>Menu>File>C

21、hange Title，彈出Change Title對(duì)話框，在Enter New Title項(xiàng)輸入標(biāo)題名，本例中輸入“Assembly”為標(biāo)題名，然后單擊OK按鈕完成分析標(biāo)題的定義。2裝配模型（1）讀入歸檔文件 選擇菜單路徑Main Menu>Preprocessor>Archive Model>Read，彈出讀入歸檔文件對(duì)話框如圖13-11所示，讀入文件名分別定義為cylinder和block，其中block讀入兩次，具體設(shè)置如下。 Data to Archive：選擇COMB Associated DB and SOLID（1 file）。 Solid Model For

22、mat：選擇ANSYS Neutral File，寫出ANSYS中性文件。 Archive file：輸入歸檔文件名。單擊OK按鈕結(jié)束。執(zhí)行取Utility Menu>Select>Everything。執(zhí)行取Utility Menu>Plot>Volumes。連續(xù)讀入的模型如圖13-12所示。圖13-11 讀入歸檔文件圖13-12 讀入的幾何模型（2）裝配幾何模型 選擇菜單路徑Main Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Move /Modify>Volumes，彈出體移動(dòng)對(duì)話框，拾取圓柱體，單擊OK按鈕

23、，彈出的偏移量設(shè)置對(duì)話框，DY項(xiàng)輸入1，其它默認(rèn)，按OK按鈕完成圓柱體移動(dòng)。選擇菜單路徑Main Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Copy>Volumes，彈出體復(fù)制對(duì)話框，拾取軸座，單擊OK按鈕，彈出的偏移量設(shè)置對(duì)話框，DZ項(xiàng)輸入1.8，其它默認(rèn)，按OK按鈕完成軸座的移動(dòng)。完成模型裝配，裝配結(jié)果如圖13-12所示。圖13-12 模型裝配結(jié)果3創(chuàng)建接觸裝配（1）裝配模型顯示為面 選進(jìn)入前處理器，模型顯示為面。選擇菜單路徑Utility>Menu> Plot>Areas。（2）創(chuàng)建接觸裝配 選擇菜單路徑Main

24、 Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Contact Pair，彈出圖13-13所示的接觸管理器。圖13-13 接觸管理器單擊接觸管理器左上角的按鈕，彈出圖13-14所示的定義接觸對(duì)目標(biāo)面對(duì)話框。設(shè)置選項(xiàng)如下。 Target Surface：目標(biāo)面的對(duì)象，選擇Areas。 Target Type：目標(biāo)類型，選擇Flexible即柔性目標(biāo)面。單擊Pick Target按鈕，用鼠標(biāo)拾取圓柱體的2個(gè)外圓弧，單擊Apply按鈕，返回圖13-14。圖13-14 定義接觸對(duì)目標(biāo)面對(duì)話框單擊Next按鈕彈出圖13-15所示的定義接觸對(duì)接觸面對(duì)話框。設(shè)置

25、下列選項(xiàng)。 Contact Surface：接觸面的對(duì)象，選擇Areas。 Contact Element Type：接觸面類型，選擇Surface-to-Surface，即面-面接觸。單擊Pick Contact按鈕，用鼠標(biāo)拾取每個(gè)軸座的2個(gè)內(nèi)壁圓?。ɑ蜉斎朊嫣?hào)1,3,10,11），單擊Apply按鈕，返回圖13-15。圖13-15 定義接觸對(duì)接觸面對(duì)話框單擊Next按鈕彈出如圖13-16所示的接觸綁定設(shè)置對(duì)話框。設(shè)置如下， Include initial penetration：包括初始滲透。 Friction：Material ID選擇1，Coefficient of Friction項(xiàng)

26、為空。單擊Optional settings按鈕彈出定義接觸綁定屬性設(shè)置對(duì)話框如圖13-17所示。在該對(duì)話框中，Contact algorithm（接觸算法）設(shè)置為MPC algorithm即MPC算法。其它按圖中設(shè)置。按OK返回圖13-16，按Create按鈕創(chuàng)建接觸對(duì)，結(jié)果如圖13-18。按Finish按鈕，關(guān)閉接觸管理器。選擇菜單路徑Utility Menu>Select>Everything。圖13-16 接觸對(duì)設(shè)置對(duì)話框圖13-17 接觸綁定屬性設(shè)置-基本屬性選項(xiàng)卡設(shè)置圖13-18 創(chuàng)建接觸對(duì)4施加約束和載荷（1）施加約束 執(zhí)行菜單Utility Menu>Plot

27、>Areas顯示模型為面。運(yùn)行主菜單Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Areas，出現(xiàn)拾取菜單，依次選擇軸座底面（或輸入6，18），單擊OK按鈕出現(xiàn)約束定義對(duì)話框，如圖13-19所示，選擇All DOF約束所有自由度，其它項(xiàng)默認(rèn)，再單擊OK按鈕，完成約束定義。（2）施加載荷 運(yùn)行主菜單Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural> Force/Moment>On Nodes命令，出現(xiàn)拾取菜單，在輸入框輸入1 210（坐標(biāo)為x=0,y=1.15,z=1的節(jié)點(diǎn)編號(hào)），單擊OK按鈕出現(xiàn)載荷定義對(duì)話框，如圖13-20所示，載荷類型為力，數(shù)值為40 000N，再單擊OK按鈕完