接觸分析實例

1、ANSYS接觸分析實例在此實例中，將對一個盤軸緊配合結構進行接觸分析。第一個載荷步分析軸和盤在過盈配合時的應力，第二個載荷步分析將該軸從盤心拔出時軸和盤的接觸應力情況。 1 問題描述：在旋轉機械中通常會遇到軸與軸承、軸與齒輪、軸與盤連接的問題，根據(jù)各自的不同情況可能有不同的連接形式。但大多數(shù)連接形式中存在過盈配合，也就是涉及到接觸問題的分析。這里我們以某轉子中軸和盤的連接為例，分析軸和盤的配合應力以及將軸從盤中拔處時盤軸連接處的應力情況。 本實例的軸為一等直徑空心軸，盤為等厚度圓盤，其結構及尺寸如圖1所示。由于模型和載荷都是軸對稱的，可以用軸對稱方法進行分析。這里為了后處理時觀察結果更直觀，我

2、們采用整個模型的四分之一進行建模分析，最后將其進行擴展，來觀察整個結構的變形及應力分布、變化情況。盤和軸用同一種材料，其性質如下： 彈性模量： EX=2.1E5 泊松比： NUXY=0.3 接觸摩擦系數(shù) ： MU=0.2 圖1 盤軸結構圖2 建立有限元模型在ANSYS9.0中，首先我們通過完成如下工作來建立本實例的有限元模型，需要完成的工作有：指定分析標題，定義單元類型，定義材料性能，建立結構幾何模型、進行網格劃分等。根據(jù)本實例的結構特點，我們將首先建立代表盤和軸的兩個1/4圓環(huán)面，然后對其進行網格劃分，得到有限元模型。 2.1設置分析標題 本實例為進行如圖1所示的盤軸結構的接觸分析，屬于非線

3、性結構分析范疇。跟前面實例一樣，為了在后面進行菜單方式操作時的方便，需要在開始分析時就指定本實例分析范疇為“Structural”。本實例的標題可以命名為：“ANSYS OF ZHOU”，具體的操作過程如下： 1選取菜單路徑Utility Menu | File | Change Jobname，將彈出Change Jobname (修改文件名)對話框，如圖20.2所示。在Enter new jobname (輸入新文件名)文本框中輸入文字“ZHOU”，為本分析實例的數(shù)據(jù)庫文件名。并單擊New log and error files (新的日志和錯誤文件)單選框，使其變?yōu)椤癥es”，為本實例的

4、分析過程創(chuàng)建新的日志。單擊按鈕關閉對話框，完成文件名的修改。 圖2 修改文件名對話框2選取菜單路徑Utility Menu | File | Change Title，將彈出Change Title (修改標題)對話框，如圖3所示。在Enter new title (輸入新標題)文本框中輸入文字“ANSYS OF ZHOU”，為本分析實例的標題名。單擊按鈕，完成對標題名的指定。 圖3 修改標題對話框3選取菜單路徑Utility Menu | Plot | Replot，指定的標題“ANSYS OF ZHOU”將顯示在圖形窗口的左下角。 4選取菜單路徑Main Menu | Preference

5、，將彈出Preference of GUI Filtering (菜單過濾參數(shù)選擇)對話框。單擊Structual(結構)選項使之被選中，以將菜單設置為與結構分析相關的選項。單擊按鈕關閉，完成分析范疇的指定。 2.2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。下面為定義單元類型的具體操作過程。 1選取菜單路徑Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete，將彈出Element Types (單元類型)對話框。單擊對話框中的按鈕，將彈出Library of Element Ty

6、pes (單元類型庫)對話框,如圖4所示。 圖4 單元類型庫對話框2在單元類型庫對話框中，靠近左邊的列表中，單擊“Structural Solid”一次，使其高亮度顯示，指定添加的單元類型為結構實體單元。然后，在靠近右邊的列表中，單擊“Brick 8node 185”一次，選定單元類型Solid185 為第一類單元。單擊對話框中的按鈕，關閉Library of Element Types 對話框。然后，Element Types (單元類型)對話框會重新顯示，且在對話框中的單元列表框中列出了定義的單元類型1：Solid185，如圖5所示。 圖5 定義的單元類型3單擊Element Types

7、(單元類型定義)對話框中的按鈕，關閉對話框，完成單元類型的定義。 2.3 定義材料屬性 本實例中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。下面是具體的操作過程。 1選取菜單路徑Main Menu | Preprocessor | Material Props | Material Models，將彈出Define Material Model Behavior (材料模型定義)對話框，如圖6所示。 圖6 材料模型定義對話框2在對話框的右邊選項框中，依次雙擊Structural | | Linear | | Elastic | | Isotropic，將彈出1號材料的彈性模量EX和泊

8、松比PRXY的定義對話框，如圖7所示。 圖7 線性各向同性材料定義對話框3在線性各向同性材料屬性對話框中的EX (彈性模量)文本框中輸入“2.1E5”，PRXY (泊松比)文本框中輸入0.3。單擊對話框中的按鈕關閉對話框。 4在Define Material Model Behavior (材料模型定義)對話框的左邊列表框中將列出定義的材料1的屬性，完成對材料模型的定義。 2.4 建立幾何模型并分網 下面來建立本實例的軸對稱幾何模型，并進行合理的分網。本實例的軸對稱模型比較簡單，可以用多種途徑很方便地建立。前面我們講過對于這種旋轉體幾何模型可以先建立一個形面并對其進行網格劃分，然后將這個形面繞

9、其對稱軸旋轉需要的角度而得到；也可以直接建立圓環(huán)，再對其進行實體網格劃分而得到整個模型的網格。這里我們采用后面一種方法，具體操作過程如下。 1創(chuàng)建四分之一圓盤。選擇菜單路徑Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Volumes | Cylinder | Partial Cylinder命令，將打開Partial Cyclinde (r創(chuàng)建部分圓環(huán))對話框，如圖8所示。 圖8 創(chuàng)建部分圓環(huán)對話框2在創(chuàng)建部分圓環(huán)對話框中的輸入圓心坐標為：WP X0、WP Y0，內徑Rad-134，起始角度為Theta-10，外徑為Rad-2100，結束角度為T

10、heta-290，圓盤厚度為Depth25，如圖8所示。單擊按照設置的值建立圓盤模型，在ANSYS圖形顯示對話框中將會顯示剛創(chuàng)建圓盤。 3創(chuàng)建代表軸的圓環(huán)。接著，在創(chuàng)建部分圓環(huán)對話框中輸入相應的值來建立代表四分之一軸的圓環(huán)。輸入的值為：WP X0、WP Y0，內徑Rad-125，起始角度為Theta-10，外徑為Rad-235，結束角度為Theta-290，圓盤厚度為Depth150。然后單擊對話中的按鈕關閉對話框。在ANSYS圖形顯示對話框中將會顯示剛創(chuàng)建圓盤。 4調整所建實體的視圖。選擇菜單路徑Utility Menu | PlotCtrls | Pan Zoom Rotate，打開Pan

11、-Zoom -Rotate (平移縮放旋轉)對話框，并單擊對話框右上角的按鈕，將建立的模型調到比較合適的位置。調整后的兩個圓環(huán)幾何體如圖9所示。讀者可以單擊對話框下部的動態(tài)顯示選擇框，然后通過鼠標右鍵來調整視圖位置。 圖9 建立的盤軸幾何模型5將圓環(huán)2(軸)移動到合適的位置。選擇菜單路徑Main Menu | Preprocessor | Modeling | Move / Modify | Volumes，將彈出Move Volume (移動體)拾取對話框，在圖形輸出窗口中單擊代表軸的圓環(huán)將其選中，然后單擊對話框中的按鈕關閉對話框。將彈出Move Volume (移動體)對話框，如圖10所示

12、。 圖10 移動體對話框6在對話框中的Z-offset in Active CS (Z軸方向平移量)文本框中輸入“-10”，將該體沿Z軸負方向平移10mm，然后單擊按鈕關閉此對話框。 7對創(chuàng)建的體進行網格劃分。選取菜單路徑Main Menu | Preprocessor | Meshing | Mesh Tool打開分網工具對話框，如圖11所示。 圖11 分網工具對話框8對端面上的線進行分網控制。在網格劃分工具對話框(Mesh Tool)中的尺寸控制(Size Controls)區(qū)中，單擊Lines (線單元)的按鈕，將彈出Element Sizes on Picked Lines (選定線的

13、單元尺寸定義) 拾取對話框。在圖形輸出窗口中單擊軸某個端面上的兩條圓弧線，然后單擊拾取對話框中的按鈕，將彈出Element Sizes on Picked Lines (選定線的單元尺寸) 定義對話框，如圖12所示。 圖12 對線進行網格控制9在線單元尺寸控制對話框中的No. of element divisions (單元劃分個數(shù))文本框中輸入“15”，指定軸沿周向劃分15個單元。單擊對話框中的按鈕對設置進行確認。 10對軸的網格進行控制。重復上面的步驟8、9的過程，在圖形輸出窗口中選則同一端面上的徑向邊，將它們劃分為2份。再選擇軸的高度上的某條線，將其劃分20份。 11完成對軸的網格劃分。

14、單擊分網工具對話框中的Mesh下拉框中的“Volume”，指定分網對象為體。再單擊Shape (分網形狀)控制區(qū)的“Hex/Wedge”單選按鈕，指定形狀為六面體。單擊其下面的“Sweep”單選按鈕，指定分網方式為掃掠。再單擊對話框中的按鈕，將彈出Volume Sweeping (掃掠體)拾取對話框，單擊圖形顯示窗口中的軸，將其選中，單擊拾取對話框中的按鈕，對軸進行網格劃分。12對盤進行網格劃分。重復步驟811，將盤周向劃分10份，徑向劃分8份，軸向劃分3份，同樣用掃掠的方式對其進行網格劃分，最后單擊分網工具對話框中的按鈕關閉對話框。至此，完成了盤軸結構的有限元建模的全部工作，通過上面的工作建

15、立的有限元模型如圖13所示。 圖13 盤軸結構的有限元模型2.5 創(chuàng)建接觸對 由于軸和盤在連接時是過盈配合，軸的外表面和盤心的表面之間將構成面面接觸對。下面我們將利用接觸對生成向導來生成本實例需要的接觸對。在生成接觸對的同時，ANSYS程序將自動給接觸對分配實常數(shù)號。 1打開接觸管理器。選取菜單路徑Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Contact Pair，打開ANSYS6.1中的Contact Manager (接觸管理器)，如圖14所示。 圖14 接觸管理器2單擊接觸管理器中的工具條上的最左邊按鈕，將彈出Add Contact P

16、air (添加接觸對)對話框，如圖15所示。 圖15 添加接觸對對話框3單擊對話框中的“Areas”單選按鈕，指定接觸目標表面為面，然后單擊按鈕來選擇具體的目標面。將彈出Select Area for Target (選擇目標面)拾取對話框。在圖形輸出窗口中單擊圓盤的盤心面將其選定，然后單擊拾取對話框中的按鈕將其關閉。這時，Add Contact Pair (添加接觸對)對話框中的按鈕將被激活，單擊按鈕進入下一步，將彈出選中接觸面的對話框。 4單擊對話框中的“Areas”單選按鈕，指定接觸表面為面，然后單擊按鈕，來選擇具體的接觸面。將彈出Select Area for Contact (選擇目

17、標面)拾取對話框。在圖形輸出窗口中單擊軸的外環(huán)面將其選定，然后單擊拾取對話框中的按鈕將其關閉。這時，Add Contact Pair (添加接觸對)對話框中的按鈕將被激活，單擊按鈕進入下一步，對接觸對屬性進行設置。其對話框如圖16所示。 圖16 設置接觸對屬性5在對話框中，單擊“Include initial penetration”選擇框將其選中，使分析中包括初始滲透。單擊Material ID (材料代號)下拉框中的“1”，指定接觸材料屬性為定義的一號材料。并在Coefficient of Friction (摩擦系數(shù))文本框中輸入“0.2”，指定摩擦系數(shù)為0.2。單擊按鈕，來對接觸問題的

18、其它選項進行設置，彈出的對話框如圖17所示。 圖17 基本設置選項6在對話框中的Normal Penalty Stiffness (正則處罰剛度)文本框中輸入“0.1”，指定接觸剛度的處罰系數(shù)為0.1。然后單擊對話框上部的Friction (摩擦)標簽，打開對摩擦選項設置的選項卡，如圖18所示。 圖18 設置摩擦選項7單擊選項卡中的Stiffness matrix (剛度矩陣)下拉框中的“Unsymmetric”選項，將其選中，指定本實例的接觸剛度為非對稱矩陣。其余的設置保持缺省，單擊按鈕關閉對話框，完成對接觸選項的設置。 8單擊圖16所示的CREAT按鈕，ANSYS程序將根據(jù)前面的設置來創(chuàng)建

19、接觸對。然后彈出如圖19所示的對話框。 圖19 完成接觸對的創(chuàng)建9查看圖19所示對話框中的信息，然后單擊按鈕關閉對話框。在ANSYS的接觸管理器的接觸對列表框中，將列出剛定義的接觸對，其實常數(shù)為3。關閉接觸管理器。在圖形輸出窗口中顯示的接觸對，如圖20所示。 圖20 定義的接觸對10單擊ANSYS Toolbar (工具條)上的SAVE_DB按鈕，保存數(shù)據(jù)庫文件。 11選取菜單路徑Utility Menu | Plot | Areas，對建立的模型進行從新顯示，在ANSYS圖形輸出窗口中對所建模型的面進行顯示。 至此，完成了本實例有限元模型的全部工作，下面將進行加載求解工作。 3 加載并求解因

20、為本實例是對盤軸結構中，將軸從盤心拔出的過程進行非線性分析。根據(jù)條件知道在這個過程中盤的外緣節(jié)點的自由度該全部約束。又由于建模時為了節(jié)約費用，根據(jù)模型結構的特點，只建立了四分之一的模型，所以需要在分析時定義對稱邊條，來模擬真實的情況。 本實例的分析過程由兩個載荷步組成，第一個載荷步為過盈分析，求解盤軸過盈安裝時的應力情況。第二個載荷步為將軸從盤心拔出時的接觸分析，分析在這個過程中盤心面和軸的外表面之間的接觸應力。它們都屬于大變形問題，屬于非線性問題。在分析時需要定義一些非線性選項來幫助問題的收斂。下面進行本實例的加載和求解操作。 3.1定義對稱邊條和位移約束 前面我們講過，為了節(jié)約建模費用，我

21、們根據(jù)模型的結果特點只建立了四分之一模型，這樣在分析時就需要定義軸對稱邊條來模擬實際的情況。另外根據(jù)問題的描述知道，圓盤外緣的節(jié)點的所有自由度應該被約束。下面為具體的操作過程。 1定義軸對稱邊條。選取菜單路徑Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Structural | Displacement | Symmetry B. C. | On Areas，將彈出Apply SYMM on Areas (在面上施加軸對稱邊條)拾取對話框。在圖形輸出窗口中單擊選取盤和軸的四個徑向截面，如圖21所示。然后，單擊拾取對話框中的按鈕關閉對話框，對它們施加

22、軸對稱邊條。 圖21 定義軸對稱邊條2定義盤外緣的位移約束。選取菜單路徑Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Structural | Displacement | On Areas，將彈出Apply U,ROT on Areas (在面上施加位移約束)拾取對話框。在圖形輸出窗口中單擊盤的外緣面，然后單擊拾取對話框中的按鈕關閉拾取對話框，將彈出Apply U,ROT on Areas (在面上施加位移約束)對話框，如圖22所示。 圖22 定義位移約束3在對話框中，單擊DOFs to be constrainted (約束自由度)列表框中的“

23、All DOF”，使其高亮度顯示，將其選中單擊按鈕關閉拾取對話框，完成對位移約束的定義。施加的軸對稱約束和位移約束如圖23所示。 圖23 定義的軸對稱約束和位移約束3.2 定義并求解第一個載荷步 對于本實例，第一個載荷步是盤軸連接時的過盈配合分析，它屬于結構靜力分析的大變形分析。這里需要進行的工作是指定分析類型，載荷步選項，以及輸出文件控制。 1指定分析類型。選擇菜單路徑Main Menu | Analysis Type | Solution | New Analysis，將會彈出New Analysis (新分析)對話框，單擊對話框中的“Static”單選按鈕，指定分析類型為靜力分析。 2設

24、定分析選項。選擇菜單路徑Main Menu | Solution | Analysis Type | Sol'n Controls，將彈出求解控制對話框，如圖24所示。 圖24 求解控制器的基本選項卡3單擊Basic (基本)選項卡左邊的Analysis Options (分析選項)下拉框中的“Large Displacement Static”將其選中，使分析中考慮大變形影響。然后在Time Control (時間控制區(qū))中設定載荷步結束時間Time at end of loadstep100，并關掉自動時間步(Automatic time stepping為“Off”)。其余設置保

25、持缺省，然后單擊對話框中的按鈕關閉對話框。 4進行第一載荷步求解。選擇菜單路徑Main Menu | Solution | Solve | Current LS，將彈出STATUS Command (求解設置狀態(tài)) 窗口(見圖25)，和Solve Current Load Step (求解當前載荷步)對話框(見圖26)。 圖25 求解設置狀態(tài)對話框5仔細閱讀求解狀態(tài)窗口中的信息，檢查所有的選項和設置是否都正確。如果正確，單擊圖26所示對話框框中的按鈕，對當前載荷步進行求解。如果有不對的地方，單擊對話框中的按鈕，取消這次求解，對正確的設置進行修改并從新求解。 6ANSYS程序會在求解時彈出不同的

26、狀態(tài)對話框顯示正在進行的求解內容。經過一定的運算求解之后，會彈出求解完成提示對話框，單擊按鈕，完成第一載荷步的求解。 7求解完成之后ANSYS圖形顯示窗口中顯示的是求解過程的迭代曲線，選擇菜單路徑Utility Menu | Replot，可以對窗口中的內容重新顯示成盤軸結果的有限元模型。 3.3 定義并求解第二載荷步 本實例中，第二載荷步是求解將軸從盤心拔出過程中軸和盤的接觸應力情況。在這個載荷步中需要定義軸的位移值(沿軸向移動的距離)。同時，需要定義多個載荷子步來進行迭代求解。下面是定義并求解第二載荷步的具體操作過程。 1設定分析選項和輸出控制選項。選擇菜單路徑Main Menu | So

27、lution | Analysis Type | Sol'n Controls，將彈出Solution Controls (求解控制)對話框，如圖27所示。 圖27 求解控制對話框2在求解控制對話框中的Basic (基本)選項卡中，將Analysis Options (分析選項)設置為“Large Displacement Static”，指定為大變形分析。將Time Control (時間控制)區(qū)的Time at end of loadstep (載荷步結束時間)設置為“250”，并打開Automatic time stepping(自動時間步選項) ，設置為“On”)。并且將Num

28、ber of substeps (載荷子步數(shù))文本框設置為“150”，Max no. of substeps (最大子步數(shù))為“10000”，Min no. of substeps (最小載荷子步數(shù))為“10”。 3單擊對話框右邊Write Items to Results File (結果輸出項)設置區(qū)下面的Frequency (輸出頻率)下拉框中的“Write every substep”，將每個載荷子步結果都輸出到結果文件中。然后單擊按鈕關閉對話框。 4施加位移載荷(將軸沿軸向平移40mm，拔出盤孔)。選取菜單路徑Utility Menu | Select | Entities，將彈出S

29、elect Entities (選擇實體)對話框，如圖28所示。單擊對話框中最上面下拉框中的“Node”，指定選擇對象為節(jié)點。接著在下面的下拉框中單擊“By Location”，指定選擇方式為根據(jù)坐標值來選取。單擊“Z coordinates”單選按鈕，在下面的文本框中輸入“140” ，指定選取Z坐標值為140的所有節(jié)點。單擊Sele All按鈕，然后單擊OK按鈕關閉對話框，完成選取。 圖28 選取軸對面上的節(jié)點5選取菜單路徑Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Structural | Displacement | On Nodes，將彈

30、出施加節(jié)點位移載荷拾取對話框，單擊對話框中的按鈕，將彈出Apply U,ROT on NOdes (施加節(jié)點位移載荷)對話框，如圖29所示。單擊對話框中約束自由度列表框中的“UZ”，使其高亮度顯示。然后在Displacement value (位移值)文本框中輸入“40”，其余設置保持缺省，單擊按鈕關閉對話框，完成位移載荷的施加。 圖29 施加位移載荷6選取菜單路徑Utility Menu | Select | Everythings，選取所有的有限元元素。 7由于大變形影響和加載方式在第一載荷步中都已經設置，這里不需要再重新定義。下面直接求解第二載荷步。選擇菜單路徑Main Menu | S

31、olution | Solve | Current LS，將彈出STATUS Command (求解設置狀態(tài)) 窗口和求解Solve Current Load Step (當前載荷步)對話框。 8仔細閱讀求解狀態(tài)窗口中的信息，檢查所有的選項和設置是否都正確，然后關閉它。如果信息正確，單擊求解當前載荷步對話框框中的按鈕，對當前載荷步進行求解。如果有不對的地方，單擊對話框中的按鈕，取消這次求解，對不對的設置進行修改并重新求解。 9ANSYS程序會在求解時彈出不同的狀態(tài)對話框顯示正在進行的求解內容，經過一定的運算求解都完成之后，會彈出求解完成提示對話框，單擊按鈕，完成第二載荷步的求解。 至此完成了將

32、軸從盤心拔出過程中接觸應力的分析，下面通過ANSYS的后處理功能來觀測求解的結果。 4 結果分析上面對軸和盤的接觸分析進行了求解，下面我們首先將分析過程中建立的四分之一模型擴展成完整的盤軸結構模型，然后通過通用后處理器(POST1)和時間歷程后處理器(POST26)來觀察求解的結果。 4.1 利用通用后處理器觀察結果 在通用后處理器中，主要觀察兩個載荷步求解的盤軸過盈配合應力和將軸從盤孔拔出時在接觸面上的接觸應力情況。也可通過ANSYS提供的動畫功能觀察整個過程的動畫顯示，具體操作過程如下。 1擴展模型。選取菜單路徑Utility Menu | PlotCtrls | Style | Symm

33、etry Expansion | Periodic/Cyclic Symmetry，將彈出Periodic/Cyclic Symmetry Expansion (周期、軸對稱擴展)對話框，如圖31所示。 圖30 模型擴展對話框2單擊對話框中的“1/4 Dihedral Sym”單選按鈕，指定要擴展的對稱類型為四分之一兩面角系統(tǒng)。原來我們建立的四分之一模型將會被擴展成為整個的盤軸結構模型，如圖31所示。 圖31 擴展后的模型3查看過盈配合時盤軸結構的應力分布情況。選擇菜單路徑：Main Menu | General Pestpro | Read Results | By Load Step。將彈

34、出Read Results by Load Step Number (根據(jù)載荷步數(shù)讀取結果)對話框，保持對話框中的缺省設置(缺省值為LSTEP=1,SBSTEP=LAST)，單擊按鈕關閉對話框，讀取第一載荷步的最后一個載荷子步的結果。 4選擇菜單路徑Main Menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal Solu，將會彈出Contour Nodal Solution Data (繪制節(jié)點解數(shù)據(jù)的等值線)對話框，如圖32所示。 圖32繪制節(jié)點解數(shù)據(jù)的等值線對話框5在對話框中要顯示項目的靠近左邊的列表框中，單擊“Stress”使其高亮度顯示。在靠近右邊的列表框中，卷動到等效應力“Von Mises SEQV”后，單擊它使其高亮度顯示，然后單擊按鈕。在ANSYS圖