接觸分析實例

1、應(yīng)用力學研究所 李永強第16章 接觸分析實例工程結(jié)構(gòu)分析軟件 應(yīng)用力學研究所 李永強第16章 接觸分析實例 在這個實例中，將對一個盤軸緊在這個實例中，將對一個盤軸緊配合結(jié)構(gòu)進行接觸分析。第一個載荷配合結(jié)構(gòu)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(yīng)力，步分析軸和盤在過盈配合時的應(yīng)力，第二個載荷步分析將該軸從盤心拔出第二個載荷步分析將該軸從盤心拔出時軸和盤的接觸應(yīng)力情況。時軸和盤的接觸應(yīng)力情況。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.1 問題描述 16.2 建立有限元模型 16.3 加載并求解16.4 結(jié)果分析16.5 命令流輸入第16章 接觸分析實例應(yīng)用力學研究所 李永強16.1 問題描述 在旋

2、轉(zhuǎn)機械中通常會遇到軸與軸承、軸與齒輪、軸與盤連接的問題，在旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子中軸和盤的連盈配合，也就是涉及到接觸問題的分析。這里我們以某轉(zhuǎn)子中軸和盤的連接為例，分析軸和盤的配合應(yīng)力以及將軸從盤中拔處時盤軸連接處的應(yīng)力接為例，分析軸和盤的配合應(yīng)力以及將軸從盤中拔處時盤軸連接處的應(yīng)力情況。情況。 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)及尺寸本實例的軸為一等直徑空心軸，盤

3、為等厚度圓盤，其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖所示。如圖所示。應(yīng)用力學研究所 李永強16.1 問題描述 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(jié)果更直觀，我們采用整個模型的四分之一進行里為了后處理時觀察結(jié)果更直觀，我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(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布、建模分析，最后將其進行擴展，來觀察整個結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布、變化情況。盤和軸用同一種材料，其性質(zhì)如下：變化情況。盤和軸用同一種材料，其性質(zhì)如下： 彈性模量：彈性模量： EX=2.1E5 泊松比：泊松比： NUXY=0.3

4、 接觸摩擦系數(shù)接觸摩擦系數(shù) ： MU=0.2 應(yīng)用力學研究所 李永強16.2 建立有限元模型 在在ANSYS中，首先我們通過完成如下工作來建立本實例的有限中，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(jié)構(gòu)幾何模型、進行網(wǎng)格劃分等。根據(jù)本實例的結(jié)材料性能，建立結(jié)構(gòu)幾何模型、進行網(wǎng)格劃分等。根據(jù)本實例的結(jié)構(gòu)特點，我們將首先建立代表盤和軸的兩個構(gòu)特點，我們將首先建立代表盤和軸的兩個1/4圓環(huán)面，然后對其進圓環(huán)面，然后對其進行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型。行網(wǎng)格劃分，得到有限元

5、模型。 設(shè)置分析標題 定義單元類型 定義材料特性 建立幾何模型并分網(wǎng) 創(chuàng)建接觸對 應(yīng)用力學研究所 李永強16.2 建立有限元模型 設(shè)置分析標題 本實例為進行盤軸結(jié)構(gòu)的接觸分析，屬于非線性結(jié)構(gòu)分析范疇。跟前面本實例為進行盤軸結(jié)構(gòu)的接觸分析，屬于非線性結(jié)構(gòu)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定本實例分析范疇為“Structural”。本實例的標題可以命名為：。本實例的標題可以命名為：“Analysis of a Axis Contacting a hole in a D

6、isc”，具體的操作過程如下：，具體的操作過程如下： 1選取菜單路徑選取菜單路徑Utility Menu | File | Change Jobname，將彈出，將彈出Change Jobname (修改文件名修改文件名)對話框。在對話框。在Enter new jobname (輸入新文件名輸入新文件名)文本框文本框中輸入文字中輸入文字“CH16”，為本分析實例的數(shù)據(jù)庫文件名。并單擊，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新的日志和錯誤文件)單選框，使其變?yōu)閱芜x框，使其變?yōu)椤癥es”，為本實例的分析，為本實例的分析過程創(chuàng)建新的日志

7、。單擊過程創(chuàng)建新的日志。單擊OK按鈕關(guān)閉對話框，完成文件名的修改。按鈕關(guān)閉對話框，完成文件名的修改。 2選取菜單路徑選取菜單路徑Utility Menu | File | Change Title，將彈出，將彈出Change Title (修修改標題改標題)對話框。在對話框。在Enter new title (輸入新標題輸入新標題)文本框中輸入文字文本框中輸入文字“Analysis of a Axis Contacting a hole in a Disc”，為本分析實例的標題名。單擊，為本分析實例的標題名。單擊OK按鈕，按鈕，完成對標題名的指定。完成對標題名的指定。 應(yīng)用力學研究所 李永強1

8、6.2 建立有限元模型 設(shè)置分析標題3選取菜單路徑選取菜單路徑Utility Menu | Plot | Replot，指定的標題，指定的標題“Analysis of a Axis Contacting a hole in a Disc”將顯示在圖形窗口的左下角。將顯示在圖形窗口的左下角。 4選取菜單路徑選取菜單路徑Main Menu | Preference，將彈出，將彈出Preference of GUI Filtering (菜單過濾參數(shù)選擇菜單過濾參數(shù)選擇)對話框。單擊對話框。單擊Structual(結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu))選項使之被選選項使之被選中，以將菜單設(shè)置為與結(jié)構(gòu)分析相關(guān)的選項。單擊中，以將

9、菜單設(shè)置為與結(jié)構(gòu)分析相關(guān)的選項。單擊OK按鈕關(guān)閉，完成分按鈕關(guān)閉，完成分析范疇的指定。析范疇的指定。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.2 建立有限元模型 定義單元類型 本實例分析的問題中涉及到大變形，故選用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，將使用接觸單元元TARGE170和和CONTA174來模擬接觸面。接觸單元在分析過程中使用接觸向?qū)砟M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。

10、下面為定義單元類型的具體操作過程。時可以自動添加，這里就不再添加。下面為定義單元類型的具體操作過程。 1選取菜單路徑選取菜單路徑Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete，將，將彈出彈出Element Types (單元類型單元類型)對話框。單擊對話框中的對話框。單擊對話框中的Add按鈕，將彈出按鈕，將彈出Library of Element Types (單元類型庫單元類型庫)對話框。對話框。 2在單元類型庫對話框中，靠近左邊的列表中，單擊在單元類型庫對話框中，靠近左邊的列表中，單擊“Structural Solid”一

11、次，一次，使其高亮度顯示，指定添加的單元類型為結(jié)構(gòu)實體單元。然后，在靠近右邊的列使其高亮度顯示，指定添加的單元類型為結(jié)構(gòu)實體單元。然后，在靠近右邊的列表中，單擊表中，單擊“Brick 8node 185”一次，選定單元類型一次，選定單元類型Solid185 為第一類單元。單擊為第一類單元。單擊對話框中的對話框中的OK按鈕，關(guān)閉按鈕，關(guān)閉Library of Element Types 對話框。然后，對話框。然后，Element Types (單元類型單元類型)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的單元類型1：So

12、lid185。 3單擊單擊Element Types (單元類型定義單元類型定義)對話框中的對話框中的Close按鈕，關(guān)閉對話框，完成按鈕，關(guān)閉對話框，完成單元類型的定義。單元類型的定義。應(yīng)用力學研究所 李永強16.2 建立有限元模型 定義材料特性 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。面是具體的操作過程。 1選取菜單路徑選取菜單路徑Main Menu | Preprocessor | Material Props | Material Models，將彈出將彈出Define Mate

13、rial Model Behavior (材料模型定義材料模型定義)對話框。對話框。 2在對話框的右邊選項框中，依次雙擊在對話框的右邊選項框中，依次雙擊Structural | Linear | Elastic | Isotropic，將彈出將彈出1號材料的彈性模量號材料的彈性模量EX和泊松比和泊松比PRXY的定義對話框。的定義對話框。 3在線性各向同性材料屬性對話框中的在線性各向同性材料屬性對話框中的EX (彈性模量彈性模量)文本框中輸入文本框中輸入“2.1E5”，PRXY (泊松比泊松比)文本框中輸入文本框中輸入0.3。單擊對話框中的。單擊對話框中的OK按鈕關(guān)閉對話框。按鈕關(guān)閉對話框。 4

14、在在Define Material Model Behavior (材料模型定義材料模型定義)對話框的左邊列表框中將對話框的左邊列表框中將列出定義的材料列出定義的材料1的屬性。在對話框選取路徑的屬性。在對話框選取路徑Material | Exit關(guān)閉對話框，完成關(guān)閉對話框，完成對材料模型的定義。對材料模型的定義。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.2 建立有限元模型 建立幾何模型并分網(wǎng) 下面來建立本實例的軸對稱幾何模型，并進行合理的分網(wǎng)。本實例的軸對下面來建立本實例的軸對稱幾何模型，并進行合理的分網(wǎng)。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(zhuǎn)稱模型比較簡單，可以

15、用多種途徑很方便地建立。前面我們講過對于這種旋轉(zhuǎn)體幾何模型可以先建立一個形面并對其進行網(wǎng)格劃分，然后將這個形面繞其對體幾何模型可以先建立一個形面并對其進行網(wǎng)格劃分，然后將這個形面繞其對稱軸旋轉(zhuǎn)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(wǎng)格劃分稱軸旋轉(zhuǎn)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(wǎng)格劃分而得到整個模型的網(wǎng)格。這里我們采用后面一種方法，具體操作過程如下。而得到整個模型的網(wǎng)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。選擇菜單路徑創(chuàng)建四分之一圓盤。選擇菜單路徑Main Menu | Preprocessor | Modeling | Crea

16、te | Volumes | Cylinder | Partial Cylinder命令，將打開命令，將打開Partial Cyclinder (創(chuàng)創(chuàng)建部分圓環(huán)建部分圓環(huán))對話框。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：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(nèi)徑，內(nèi)徑Rad-134，起始角度為，起始角度為Theta-10，外徑為，外徑為Rad-2100，結(jié)束角度為，結(jié)束角度為Theta-290，圓盤厚度為，圓盤厚度為Depth25，如圖，如圖20.8所示。單擊所示。單擊Apply按照設(shè)置的值建立圓按照設(shè)置的值建立圓盤模型，在盤模型，在ANSYS圖形顯示對話

17、框中將會顯示剛創(chuàng)建圓盤。圖形顯示對話框中將會顯示剛創(chuàng)建圓盤。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.2 建立有限元模型 建立幾何模型并分網(wǎng)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(yīng)的值來建立代創(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(yīng)的值來建立代表四分之一軸的圓環(huán)。輸入的值為：表四分之一軸的圓環(huán)。輸入的值為：WP X0、WP Y0，內(nèi)徑，內(nèi)徑Rad-125，起，起始角度為始角度為Theta-10，外徑為，外徑為Rad-235，結(jié)束角度為，結(jié)束角度為Theta-290，圓盤厚度為，圓盤厚度為Depth150。然后單擊對話中的。然后單擊對話中的OK按鈕關(guān)閉對話框。在按鈕關(guān)閉對話框。

18、在ANSYS圖形顯示對話框圖形顯示對話框中將會顯示剛創(chuàng)建圓盤。中將會顯示剛創(chuàng)建圓盤。 4調(diào)整所建實體的視圖。選擇菜單路徑調(diào)整所建實體的視圖。選擇菜單路徑Utility Menu | PlotCtrls | Pan Zoom Rotate，打開，打開Pan-Zoom -Rotate (平移縮放旋轉(zhuǎn)平移縮放旋轉(zhuǎn))對話框，并單擊對話框右上對話框，并單擊對話框右上角的角的ISO按鈕，將建立的模型調(diào)到比較合適的位置。調(diào)整后的兩個圓環(huán)幾何體如按鈕，將建立的模型調(diào)到比較合適的位置。調(diào)整后的兩個圓環(huán)幾何體如圖所示。圖所示。5將圓環(huán)將圓環(huán)2(軸軸)移動到合適的位置。選擇菜單路徑移動到合適的位置。選擇菜單路徑Ma

19、in Menu | Preprocessor | Modeling | Move / Modify | Volumes，將彈出，將彈出Move Volume (移動體移動體)拾取對話框，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(guān)閉對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(guān)閉對話框。將彈出話框。將彈出Move Volume (移動體移動體)對話框，如圖所示。對話框，如圖所示。應(yīng)用力學研究所 李永強16.2 建立有限元模型 建立幾何模型并分網(wǎng)6在對話框中的在對話框中的Z-offset in Active CS (Z軸方向平移量軸方向平移

20、量)文本框中輸入文本框中輸入“-10”，將，將該體沿該體沿Z軸負方向平移軸負方向平移10mm，然后單擊，然后單擊OK按鈕關(guān)閉此對話框。按鈕關(guān)閉此對話框。 7對創(chuàng)建的體進行網(wǎng)格劃分。選取菜單路徑對創(chuàng)建的體進行網(wǎng)格劃分。選取菜單路徑Main Menu | Preprocessor | Meshing | Mesh Tool打開分網(wǎng)工具對話框。打開分網(wǎng)工具對話框。 8對端面上的線進行分網(wǎng)控制。在網(wǎng)格劃分工具對話框?qū)Χ嗣嫔系木€進行分網(wǎng)控制。在網(wǎng)格劃分工具對話框(Mesh Tool)中的尺寸控中的尺寸控制制(Size Controls)區(qū)中，單擊區(qū)中，單擊Lines (線單元線單元)的的Set按鈕，將彈

21、出按鈕，將彈出Element Sizes on Picked Lines (選定線的單元尺寸定義選定線的單元尺寸定義) 拾取對話框。在圖形輸出窗口中單擊軸某拾取對話框。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個端面上的兩條圓弧線，然后單擊拾取對話框中的Apply按鈕，將彈出按鈕，將彈出Element Sizes on Picked Lines (選定線的單元尺寸選定線的單元尺寸) 定義對話框。定義對話框。 9在線單元尺寸控制對話框中的在線單元尺寸控制對話框中的No. of element divisions (單元劃分個數(shù)單元劃分個數(shù))文本框文本框中輸入中輸入“15

22、”，指定軸沿周向劃分，指定軸沿周向劃分15個單元。單擊對話框中的個單元。單擊對話框中的Apply按鈕對設(shè)置按鈕對設(shè)置進行確認。進行確認。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.2 建立有限元模型 建立幾何模型并分網(wǎng)10對軸的網(wǎng)格進行控制。重復上面的步驟對軸的網(wǎng)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，將其份。再選擇軸的高度上的某條線，將其劃分劃分20份。份。 11完成對軸的網(wǎng)格劃分。單擊分網(wǎng)工具對話框中的完成對軸的網(wǎng)格劃分。單擊分網(wǎng)工具對話框中的Mesh下拉框中的

23、下拉框中的“Volume”，指定分網(wǎng)對象為體。再單擊，指定分網(wǎng)對象為體。再單擊Shape (分網(wǎng)形狀分網(wǎng)形狀)控制區(qū)的控制區(qū)的“Hex/Wedge”單選按鈕，指定形狀為六面體。單擊其下面的單選按鈕，指定形狀為六面體。單擊其下面的“Sweep”單選按鈕，單選按鈕，指定分網(wǎng)方式為掃掠。再單擊對話框中的指定分網(wǎng)方式為掃掠。再單擊對話框中的Sweep按鈕，將彈出按鈕，將彈出Volume Sweeping (掃掠體掃掠體)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的OK按鈕，對軸進行網(wǎng)格劃分。按鈕，對軸進行網(wǎng)格劃分。 1

24、2對盤進行網(wǎng)格劃分。重復步驟對盤進行網(wǎng)格劃分。重復步驟811，將盤周向劃分，將盤周向劃分10份，徑向劃分份，徑向劃分8份，份，軸向劃分軸向劃分3份，同樣用掃掠的方式對其進行網(wǎng)格劃分，最后單擊分網(wǎng)工具對話框份，同樣用掃掠的方式對其進行網(wǎng)格劃分，最后單擊分網(wǎng)工具對話框中的中的Close按鈕關(guān)閉對話框。至此，完成了盤軸結(jié)構(gòu)的有限元建模的全部工作，按鈕關(guān)閉對話框。至此，完成了盤軸結(jié)構(gòu)的有限元建模的全部工作，通過上面的工作建立的有限元模型如圖所示。通過上面的工作建立的有限元模型如圖所示。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.2 建立有限元模型 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

25、將構(gòu)成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(gòu)成面面接觸對。面面接觸對。ANSYS的接觸對生成向?qū)Э梢允褂脩舴浅７奖愕厣煞治鲂枰慕佑|對生成向?qū)Э梢允褂脩舴浅７奖愕厣煞治鲂枰慕佑|對。下面我們將利用接觸對生成向?qū)砩杀緦嵗枰慕佑|對。在的接觸對。下面我們將利用接觸對生成向?qū)砩杀緦嵗枰慕佑|對。在生成接觸對的同時，生成接觸對的同時，ANSYS程序?qū)⒆詣咏o接觸對分配實常數(shù)號。程序?qū)⒆詣咏o接觸對分配實常數(shù)號。 1打開接觸管理器。選取菜單路徑打開接觸管理器。選取菜單路徑Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Con

26、tact Pair，打開，打開ANSYS中的中的Contact Manager (接觸管理器接觸管理器)，如，如圖所示。圖所示。 2單擊接觸管理器中的工具條上的最左邊單擊接觸管理器中的工具條上的最左邊 按鈕，將彈出按鈕，將彈出Add Contact Pair (添加接觸對添加接觸對)對話框，如圖所示。對話框，如圖所示。 3單擊對話框中的單擊對話框中的“Areas”單選按鈕，指定接觸目標表面為面，然后單擊單選按鈕，指定接觸目標表面為面，然后單擊Pick Target按鈕來選擇具體的目標面。將彈出按鈕來選擇具體的目標面。將彈出Select Area for Target (選擇目標面選擇目標面)拾

27、取拾取對話框。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的Apply按鈕將其關(guān)閉。這時，按鈕將其關(guān)閉。這時，Add Contact Pair (添加接觸對添加接觸對)對話框中的對話框中的Next按按鈕將被激活，單擊鈕將被激活，單擊Next按鈕進入下一步，將彈出選中接觸面的對話框。按鈕進入下一步，將彈出選中接觸面的對話框。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.2 建立有限元模型 創(chuàng)建接觸對 4單擊對話框中的單擊對話框中的“Areas”單選按鈕，指定接觸表面為面，然后單擊單選按鈕，指定接觸表面為面，然后單擊Pick

28、 Contact按鈕，來選擇具體的接觸面。將彈出按鈕，來選擇具體的接觸面。將彈出Select Area for Contact (選擇目標面選擇目標面)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中的Apply按鈕將其關(guān)閉。這時，按鈕將其關(guān)閉。這時，Add Contact Pair (添加接觸對添加接觸對)對話框中的對話框中的Next按鈕將被激活，單擊按鈕將被激活，單擊Next按鈕進入下一步，對接觸對屬性進行設(shè)置。其對話框如按鈕進入下一步，對接觸對屬性進行設(shè)置。其對話框如圖所示。圖所示。 5在對

29、話框中，單擊在對話框中，單擊“Include initial penetration”選擇框?qū)⑵溥x中，使分析中包選擇框?qū)⑵溥x中，使分析中包括初始滲透。單擊括初始滲透。單擊Material ID (材料代號材料代號)下拉框中的下拉框中的“1”，指定接觸材料屬性為，指定接觸材料屬性為定義的一號材料。并在定義的一號材料。并在Coefficient of Friction (摩擦系數(shù)摩擦系數(shù))文本框中輸入文本框中輸入“0.2”，指，指定摩擦系數(shù)為定摩擦系數(shù)為0.2。單擊。單擊Optional setting按鈕，來對接觸問題的其它選項進行設(shè)置，按鈕，來對接觸問題的其它選項進行設(shè)置，彈出的對話框如圖所示

30、。彈出的對話框如圖所示。 6在對話框中的在對話框中的Normal Penalty Stiffness (正則處罰剛度正則處罰剛度)文本框中輸入文本框中輸入“0.1”，指定接觸剛度的處罰系數(shù)為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。然后單擊對話框上部的Friction (摩擦摩擦)標簽，打開標簽，打開對摩擦選項設(shè)置的選項卡，如圖所示。對摩擦選項設(shè)置的選項卡，如圖所示。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.2 建立有限元模型 創(chuàng)建接觸對 7單擊選項卡中的單擊選項卡中的Stiffness matrix (剛度矩陣剛度矩陣)下拉框中的下拉框中的“Unsymmetric”選項，選項，將其選中，指定

31、本實例的接觸剛度為非對稱矩陣。其余的設(shè)置保持缺省，單擊將其選中，指定本實例的接觸剛度為非對稱矩陣。其余的設(shè)置保持缺省，單擊OK按鈕關(guān)閉對話框，完成對接觸選項的設(shè)置。按鈕關(guān)閉對話框，完成對接觸選項的設(shè)置。 8單擊單擊Add Contact Pair 對話框中的對話框中的Create按鈕，按鈕，ANSYS程序?qū)⒏鶕?jù)前面的設(shè)程序?qū)⒏鶕?jù)前面的設(shè)置來創(chuàng)建接觸對。然后彈出如圖所示的對話框。置來創(chuàng)建接觸對。然后彈出如圖所示的對話框。 9查看對話框中的信息，然后單擊查看對話框中的信息，然后單擊Finsh按鈕關(guān)閉對話框。在按鈕關(guān)閉對話框。在ANSYS的接觸管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

32、實常數(shù)為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(guān)閉接觸管理。關(guān)閉接觸管理器。在圖形輸出窗口中顯示的接觸對，如圖所示。器。在圖形輸出窗口中顯示的接觸對，如圖所示。 10單擊單擊ANSYS Toolbar (工具條工具條)上的上的SAVE_DB按鈕，保存數(shù)據(jù)庫文件。按鈕，保存數(shù)據(jù)庫文件。 11選取菜單路徑選取菜單路徑Utility Menu | Plot | Areas，對建立的模型進行從新顯示，在，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。圖形輸出窗口中對所建模型的面進行顯示。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.3 加載并求解 因為本實例是對盤軸結(jié)

33、構(gòu)中，將軸從盤心拔出的過程進行非線性分析。根因為本實例是對盤軸結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的特點，只建立了四分之一的模型，所以需要在分了節(jié)約費用，根據(jù)模型結(jié)構(gòu)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。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(yīng)力

34、情況。第二個載荷步為將軸從盤心拔出時的接觸分析，分軸過盈安裝時的應(yīng)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(yīng)力。它們都屬于大變形問題，析在這個過程中盤心面和軸的外表面之間的接觸應(yīng)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。進行本實例的加載和求解操作。 定義對稱邊條和位移約束 定義并求解第一個載荷步 定義并求解第二載荷步 應(yīng)用力學研究所 李永強16.3 加載并求解 定義對稱邊條和位移約束1定義軸對稱

35、邊條。選取菜單路徑定義軸對稱邊條。選取菜單路徑Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Structural | Displacement | Symmetry B. C. | On Areas，將彈出，將彈出Apply SYMM on Areas (在面上施加軸對稱邊條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。然后，單擊拾取對話框中的四個徑向截面。然后，單擊拾取對話框中的OK按鈕關(guān)閉對話框，對它們施加軸對按鈕關(guān)閉對話框，對它們施加軸對稱邊條。稱邊條。 2定義盤外

36、緣的位移約束。選取菜單路徑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，將彈出Apply U,ROT on Areas (在面在面上施加位移約束上施加位移約束)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對話框中的OK按鈕關(guān)閉拾取對話框，將彈出按鈕關(guān)閉拾取對話框，將彈出Apply U,ROT on Areas (在面上施加在面上施加位移約束位移約束)對話框。

37、對話框。 3在對話框中，單擊在對話框中，單擊DOFs to be constrainted (約束自由度約束自由度)列表框中的列表框中的“All DOF”，使其高亮度顯示，將其選中。其余設(shè)置保持缺省值，使其高亮度顯示，將其選中。其余設(shè)置保持缺省值(缺省的位移值為缺省的位移值為0)，單擊單擊OK按鈕關(guān)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按鈕關(guān)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所示。約束如圖所示。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.3 加載并求解 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(jié)構(gòu)靜力對于本實例，第

38、一個載荷步是盤軸連接時的過盈配合分析，它屬于結(jié)構(gòu)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。出文件控制。 1指定分析類型。選擇菜單路徑指定分析類型。選擇菜單路徑Main Menu | Analysis Type | Solution | New Analysis，將會彈出，將會彈出New Analysis (新分析新分析)對話框，單擊對話框中的對話框，單擊對話框中的“Static”單單選按鈕，指定分析類型為靜力分析。選按鈕，指定分析類型為靜力分析。 2設(shè)定分析選項。選擇菜單路徑設(shè)定分

39、析選項。選擇菜單路徑Main Menu | Solution | Analysis Type | Soln Controls，將彈出求解控制對話框，如圖所示。，將彈出求解控制對話框，如圖所示。 3單擊單擊Basic (基本基本)選項卡左邊的選項卡左邊的Analysis Options (分析選項分析選項)下拉框中的下拉框中的“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)時間控制區(qū))中設(shè)定載荷步結(jié)束時間中設(shè)定載荷步結(jié)束時間Time at end of loadstep10

40、0，并關(guān)，并關(guān)掉自動時間步掉自動時間步(Automatic time stepping為為“Off”)。其余設(shè)置保持缺省，然后單。其余設(shè)置保持缺省，然后單擊對話框中的擊對話框中的OK按鈕關(guān)閉對話框。按鈕關(guān)閉對話框。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.3 加載并求解 定義并求解第一個載荷步4進行第一載荷步求解。選擇菜單路徑進行第一載荷步求解。選擇菜單路徑Main Menu | Solution | Solve | Current LS，將彈出，將彈出STATUS Command (求解設(shè)置狀態(tài)求解設(shè)置狀態(tài)) 窗口和窗口和Solve Current Load Step (求解當前載荷步求解當前載荷步)對

41、話框。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(shè)置是否都正確。如仔細閱讀求解狀態(tài)窗口中的信息，檢查所有的選項和設(shè)置是否都正確。如果正確，單擊對話框中的果正確，單擊對話框中的OK按鈕，對當前載荷步進行求解。如果有不對的地按鈕，對當前載荷步進行求解。如果有不對的地方，單擊對話框中的方，單擊對話框中的Cancel按鈕，取消這次求解，對正確的設(shè)置進行修改并按鈕，取消這次求解，對正確的設(shè)置進行修改并從新求解。從新求解。 6ANSYS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(nèi)容。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(nèi)容。經(jīng)過一定的運算求解之后，會彈出求解完成提

42、示對話框，單擊經(jīng)過一定的運算求解之后，會彈出求解完成提示對話框，單擊Close按鈕，完按鈕，完成第一載荷步的求解。成第一載荷步的求解。 7求解完成之后求解完成之后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，選擇菜單路徑擇菜單路徑Utility Menu | Replot，可以對窗口中的內(nèi)容重新顯示成盤軸結(jié)果，可以對窗口中的內(nèi)容重新顯示成盤軸結(jié)果的有限元模型。的有限元模型。應(yīng)用力學研究所 李永強16.3 加載并求解 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(yīng)力情況。本實例中，第二載荷步是求解將軸從盤心拔出

43、過程中軸和盤的接觸應(yīng)力情況。在這個載荷步中需要定義軸的位移值在這個載荷步中需要定義軸的位移值(沿軸向移動的距離沿軸向移動的距離)。同時，需要定義多個載。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。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(shè)定分析選項和輸出控制選項。選擇菜單路徑設(shè)定分析選項和輸出控制選項。選擇菜單路徑Main Menu | Solution | Analysis Type | Soln Controls，將彈出，將彈出Solution Controls (求解控制求解控制)對話框。對話框。 2在求解控制對話框中的

44、在求解控制對話框中的Basic (基本基本)選項卡中，將選項卡中，將Analysis Options (分析選項分析選項)設(shè)置為設(shè)置為“Large Displacement Static”，指定為大變形分析。將，指定為大變形分析。將Time Control (時間時間控制控制)區(qū)的區(qū)的Time at end of loadstep (載荷步結(jié)束時間載荷步結(jié)束時間)設(shè)置為設(shè)置為“250”，并打開，并打開Automatic time stepping(自動時間步選項自動時間步選項) ，設(shè)置為，設(shè)置為“On”)。并且將。并且將Number of substeps (載荷子步數(shù)載荷子步數(shù))文本框設(shè)置為

45、文本框設(shè)置為“150”，Max no. of substeps (最大子步數(shù)最大子步數(shù))為為“10000”，Min no. of substeps (最小載荷子步數(shù)最小載荷子步數(shù))為為“10” ，如圖所示。，如圖所示。 3單擊對話框右邊單擊對話框右邊Write Items to Results File (結(jié)果輸出項結(jié)果輸出項)設(shè)置區(qū)下面的設(shè)置區(qū)下面的Frequency (輸出頻率輸出頻率)下拉框中的下拉框中的“Write every substep”，將每個載荷子步結(jié)果都，將每個載荷子步結(jié)果都輸出到結(jié)果文件中。然后單擊輸出到結(jié)果文件中。然后單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。按鈕關(guān)閉對話框。 應(yīng)用力學研

46、究所 李永強16.3 加載并求解 定義并求解第二載荷步 4施加位移載荷施加位移載荷(將軸沿軸向平移將軸沿軸向平移40mm，拔出盤孔，拔出盤孔)。選取菜單路徑。選取菜單路徑Utility Menu | Select | Entities，將彈出，將彈出Select Entities (選擇實體選擇實體)對話框。單擊對話框中對話框。單擊對話框中最上面下拉框中的最上面下拉框中的“Node”，指定選擇對象為節(jié)點。接著在下面的下拉框中單，指定選擇對象為節(jié)點。接著在下面的下拉框中單擊擊“By Location”，指定選擇方式為根據(jù)坐標值來選取。單擊，指定選擇方式為根據(jù)坐標值來選取。單擊“Z coordin

47、ates”單選按鈕，在下面的文本框中輸入單選按鈕，在下面的文本框中輸入“140” ，指定選取，指定選取Z坐標值為坐標值為140的所有節(jié)點。的所有節(jié)點。單擊單擊Sele All按鈕，然后單擊按鈕，然后單擊OK按鈕關(guān)閉對話框，完成選取。按鈕關(guān)閉對話框，完成選取。 5選取菜單路徑選取菜單路徑Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Structural | Displacement | On Nodes，將彈出施加節(jié)點位移載荷拾取對話框，單擊對話框中，將彈出施加節(jié)點位移載荷拾取對話框，單擊對話框中的的Pick All按鈕，將彈出按鈕，將彈出Apply

48、 U,ROT on NOdes (施加節(jié)點位移載荷施加節(jié)點位移載荷)對話框，如對話框，如圖所示。單擊對話框中約束自由度列表框中的圖所示。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，使其高亮度顯示。然后在在Displacement value (位移值位移值)文本框中輸入文本框中輸入“40”，其余設(shè)置保持缺省，單擊，其余設(shè)置保持缺省，單擊OK按鈕關(guān)閉對話框，完成位移載荷的施加。按鈕關(guān)閉對話框，完成位移載荷的施加。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.3 加載并求解 定義并求解第二載荷步 6選取菜單路徑選取菜單路徑Utility Menu | Select | Everythings，

49、選取所有的有限元元素。，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(jīng)設(shè)置，這里不需要再重由于大變形影響和加載方式在第一載荷步中都已經(jīng)設(shè)置，這里不需要再重新定義。下面直接求解第二載荷步。選擇菜單路徑新定義。下面直接求解第二載荷步。選擇菜單路徑Main Menu | Solution | Solve | Current LS，將彈出，將彈出STATUS Command (求解設(shè)置狀態(tài)求解設(shè)置狀態(tài)) 窗口和求解窗口和求解Solve Current Load Step (當前載荷步當前載荷步)對話框。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(shè)置是否都正確，然

50、仔細閱讀求解狀態(tài)窗口中的信息，檢查所有的選項和設(shè)置是否都正確，然后關(guān)閉它。如果信息正確，單擊求解當前載荷步對話框框中的后關(guān)閉它。如果信息正確，單擊求解當前載荷步對話框框中的OK按鈕，對當按鈕，對當前載荷步進行求解。如果有不對的地方，單擊對話框中的前載荷步進行求解。如果有不對的地方，單擊對話框中的Cancel按鈕，取消這按鈕，取消這次求解，對不對的設(shè)置進行修改并重新求解。次求解，對不對的設(shè)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(nèi)容，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(nèi)容，經(jīng)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

51、擊經(jīng)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Close按鈕，按鈕，完成第二載荷步的求解。完成第二載荷步的求解。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.4 結(jié)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(jié)構(gòu)模型，然后通過程中建立的四分之一模型擴展成完整的盤軸結(jié)構(gòu)模型，然后通過通用后處理器過通用后處理器(POST1) 來觀察求解的結(jié)果。來觀察求解的結(jié)果。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.4 結(jié)果分析 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(yīng)力和將軸從在通用后處理器中，主要

52、觀察兩個載荷步求解的盤軸過盈配合應(yīng)力和將軸從盤孔拔出時在接觸面上的接觸應(yīng)力情況。也可通過盤孔拔出時在接觸面上的接觸應(yīng)力情況。也可通過ANSYS提供的動畫功能觀察整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。個過程的動畫顯示，具體操作過程如下。 1擴展模型。選取菜單路徑擴展模型。選取菜單路徑Utility Menu | PlotCtrls | Style | Symmetry Expansion | Periodic/Cyclic Symmetry，將彈出，將彈出Periodic/Cyclic Symmetry Expansion (周期、軸周期、軸對稱擴展對稱擴展)對話框，如圖所示

53、。對話框，如圖所示。 2單擊對話框中的單擊對話框中的“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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型，如圖所示。模型，如圖所示。3查看過盈配合時盤軸結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。選擇菜單路徑：查看過盈配合時盤軸結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況。選擇菜單路徑：Main Menu | General Pestpro | Read Results | By Load Step。將彈出。將彈出Read Results by

54、Load Step Number (根據(jù)載荷步數(shù)讀取結(jié)果根據(jù)載荷步數(shù)讀取結(jié)果)對話框，保持對話框中的缺省設(shè)置對話框，保持對話框中的缺省設(shè)置(缺省值為缺省值為LSTEP=1,SBSTEP=LAST)，單擊，單擊OK按鈕關(guān)閉對話框，讀取第一載荷步的最后一按鈕關(guān)閉對話框，讀取第一載荷步的最后一個載荷子步的結(jié)果。個載荷子步的結(jié)果。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.4 結(jié)果分析4選擇菜單路徑選擇菜單路徑Main Menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal Solu，將會彈出，將會彈出Contour Nodal Solution

55、Data (繪制節(jié)點解數(shù)據(jù)的等值線繪制節(jié)點解數(shù)據(jù)的等值線)對話框。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”使其高亮度使其高亮度顯示。在靠近右邊的列表框中，卷動到等效應(yīng)力顯示。在靠近右邊的列表框中，卷動到等效應(yīng)力“Von Mises SEQV”后，單擊后，單擊它使其高亮度顯示，然后單擊它使其高亮度顯示，然后單擊OK按鈕。在按鈕。在ANSYS圖形輸出窗口中將會顯示盤圖形輸出窗口中將會顯示盤軸結(jié)構(gòu)過盈配合產(chǎn)生的等效應(yīng)力等值線圖，如圖所示。軸結(jié)構(gòu)過盈配合產(chǎn)生的等效應(yīng)力等值線圖，如圖所示。 6下面來查看拔出過程中某一時刻軸的接

56、觸面上的壓力分布。選擇菜單路徑：下面來查看拔出過程中某一時刻軸的接觸面上的壓力分布。選擇菜單路徑：Main Menu | General Pestpro | Read Results | By Time/Freq，將彈出，將彈出Read Results by Time or Frequency (根據(jù)時間和頻率來查看結(jié)果根據(jù)時間和頻率來查看結(jié)果)對話框，如圖所示。對話框，如圖所示。在對話框中的在對話框中的Value of time or freq (時間值時間值)文本框中輸入文本框中輸入“120”，指定時間為，指定時間為120，然后單擊，然后單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。按鈕關(guān)閉對話框。 應(yīng)用力學研

57、究所 李永強16.4 結(jié)果分析7選出接觸單元。選取菜單路徑選出接觸單元。選取菜單路徑Utility Menu | Select | Entities，將彈出選擇實，將彈出選擇實體體(Select Entities)對話框。單擊對話框中最上面下拉框中的對話框。單擊對話框中最上面下拉框中的“Element”，指定，指定選擇對象為單元。接著在下面的下拉框中單擊選擇對象為單元。接著在下面的下拉框中單擊“By Elem Name”，指定選擇方，指定選擇方式為根據(jù)單元名來選取。在下面的式為根據(jù)單元名來選取。在下面的“Element Name”文本框中輸入文本框中輸入“174” ，指，指定選取所有接觸單元。

58、單擊定選取所有接觸單元。單擊Sele All按鈕，然后單擊按鈕，然后單擊OK按鈕關(guān)閉對話框，完成按鈕關(guān)閉對話框，完成選取。選取。 8顯示選擇結(jié)果。選取菜單路徑顯示選擇結(jié)果。選取菜單路徑Utility Menu | Plot | Elements，在圖形輸出窗，在圖形輸出窗口中將顯示選取的所有接觸單元，如圖所示?？谥袑@示選取的所有接觸單元，如圖所示。 9選擇菜單路徑選擇菜單路徑Main Menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal Solu，將會彈出，將會彈出Contour Nodal Solution Data (

59、繪制節(jié)點解數(shù)據(jù)的等值線繪制節(jié)點解數(shù)據(jù)的等值線)對話框。在要顯示項目的靠近左邊的列表框中，單擊對話框。在要顯示項目的靠近左邊的列表框中，單擊“Contact”使其高亮度顯使其高亮度顯示。在靠近右邊的列表框中，卷動到壓力示。在靠近右邊的列表框中，卷動到壓力“Pressure PRES”后，單擊它使其高后，單擊它使其高亮度顯示，然后單擊亮度顯示，然后單擊OK按鈕。在按鈕。在ANSYS圖形輸出窗口中，將會顯示盤軸結(jié)構(gòu)圖形輸出窗口中，將會顯示盤軸結(jié)構(gòu)在在120時接觸單元上的壓力分布云圖，如圖所示。時接觸單元上的壓力分布云圖，如圖所示。 應(yīng)用力學研究所 李永強16.4 結(jié)果分析10選取菜單路徑選取菜單路徑Utility Menu