ansys接触分析实例

第第 20 章章 接触分析实例接触分析实例 在这个实例中，将对一个盘轴紧配合结构进行接触分析。第一个载荷步分析轴和盘在过盈配合时的应力，第二个载荷步分析将该轴从盘心拔出时轴和盘的接触应力情况。20.1 问题描述：问题描述：在旋转机械中通常会遇到轴与轴承、轴与齿轮、轴与盘连接的问题，根据各自的不同情况可能有不同的连接形式。但大多数连接形式中存在过盈配合，也就是涉及到接触问题的分析。这里我们以某转子中轴和盘的连接为例，分析轴和盘的配合应力以及将轴从盘中拔处时盘轴连接处的应力情况。本实例的轴为一等直径空心轴，盘为等厚度圆盘，其结构及尺寸如图 20.1 所示。由于模型和载荷都是轴对称的，可以用轴对称方法进行分析。这里为了后处理时观察结果更直观，我们采用整个模型的四分之一进行建模分析，最后将其进行扩展，来观察整个结构的变形及应力分布、变化情况。盘和轴用同一种材料，其性质如下：弹性模量：EX=2.1E5 泊松比：NUXY=0.3 接触摩擦系数：MU=0.2 20.1 盘轴结构图 20.2 建立有限元模型 在 ANSYS6.1 中，首先我们通过完成如下工作来建立本实例的有限元模型，需要完成的工作有：指定分析标题，定义单元类型，定义材料性能，建立结构几何模型、进行网格划分等。根据本实例的结构特点，我们将首先建立代表盘和轴的两个 1/4 圆环面，然后对其进行网格划分，得到有限元模型。20.2.1 设置分析标题 本实例为进行如图 20.1 所示的盘轴结构的接触分析，属于非线性结构分析范畴。跟前面实例一样，为了在后面进行菜单方式操作时的方便，需要在开始分析时就指定本实例分析范畴为“Structural”。本实例的标题可以命名为：“Analysis of a Axis Contacting a hole in a Disc”，具体的操作过程如下：1选取菜单路径 Utility Menu|File|Change Jobname，将弹出 Change Jobname(修改文件名)对话框，如图 20.2 所示。在 Enter new jobname(输入新文件名)文本框中输入文字“CH20”，为本分析实例的数据库文件名。并单击 New log and error files(新的日志和错误文件)单选框，使其变为“Yes”，为本实例的分析过程创建新的日志。单击按钮关闭对话框，完成文件名的修改。图 20.2 修改文件名对话框 2选取菜单路径 Utility Menu|File|Change Title，将弹出 Change Title(修改标题)对话框，如图 20.3 所示。在 Enter new title(输入新标题)文本框中输入文字“Analysis of a Axis Contacting a hole in a Disc”，为本分析实例的标题名。单击按钮，完成对标题名的指定。图 20.3 修改标题对话框 3选取菜单路径 Utility Menu|Plot|Replot，指定的标题“Analysis of a Axis Contacting a hole in a Disc”将显示在图形窗口的左下角(图略)。4选取菜单路径 Main Menu|Preference，将弹出 Preference of GUI Filtering(菜单过滤参数选择)对话框。单击 Structual(结构)选项使之被选中，以将菜单设置为与结构分析相关的选项。单击按钮关闭，完成分析范畴的指定。20.2.2 定义单元类型 本实例分析的问题中涉及到大变形，故选用 Solid185 单元类型来建立本实例的模型。本接触问题属于面面接触，目标面和接触面都是柔性的，将使用接触单元 TARGE170 和CONTA174 来模拟接触面。接触单元在分析过程中使用接触向导时可以自动添加，这里就不再添加。下面为定义单元类型的具体操作过程。1选取菜单路径 Main Menu|Preprocessor|Element Type|Add/Edit/Delete，将弹出Element Types(单元类型)对话框。单击对话框中的按钮，将弹出 Library of Element Types(单元类型库)对话框,如图 20.4 所示。图 20.4 单元类型库对话框 2在单元类型库对话框中，靠近左边的列表中，单击“Structural Solid”一次，使其高亮度显示，指定添加的单元类型为结构实体单元。然后，在靠近右边的列表中，单击“Brick 8node 185”一次，选定单元类型 Solid185 为第一类单元。单击对话框中的按钮，关闭 Library of Element Types 对话框。然后，Element Types(单元类型)对话框会重新显示，且在对话框中的单元列表框中列出了定义的单元类型 1：Solid185，如图 20.5 所示。20.5 定义的单元类型 3单击 Element Types(单元类型定义)对话框中的按钮，关闭对话框，完成单元类型的定义。20.2.3 定义材料特性 本实例中盘轴使用同一种材料类型，所以只需定义一种材料就可以了。下面是具体的操作过程。1选取菜单路径 Main Menu|Preprocessor|Material Props|Material Models，将弹出Define Material Model Behavior(材料模型定义)对话框，如图 20.6 所示。图 20.6 材料模型定义对话框 2在对话框的右边选项框中，依次双击 Structural|Linear|Elastic|Isotropic，将弹出 1 号材料的弹性模量 EX 和泊松比 PRXY 的定义对话框，如图 20.7 所示。图 20.7 线性各向同性材料定义对话框 3 在线性各向同性材料属性对话框中的 EX(弹性模量)文本框中输入“2.1E5”，PRXY(泊松比)文本框中输入 0.3。单击对话框中的按钮关闭对话框。4在 Define Material Model Behavior(材料模型定义)对话框的左边列表框中将列出定义的材料 1 的属性。在对话框选取路径 Material|Exit 关闭对话框，完成对材料模型的定义。20.2.4 建立几何模型并分网 下面来建立本实例的轴对称几何模型，并进行合理的分网。本实例的轴对称模型比较简单，可以用多种途径很方便地建立。前面我们讲过对于这种旋转体几何模型可以先建立一个形面并对其进行网格划分，然后将这个形面绕其对称轴旋转需要的角度而得到；也可以直接建立圆环，再对其进行实体网格划分而得到整个模型的网格。这里我们采用后面一种方法，具体操作过程如下。1创建四分之一圆盘。选择菜单路径 Main Menu|Preprocessor|Modeling|Create|Volumes|Cylinder|Partial Cylinder 命令，将打开 Partial Cyclinde(r 创建部分圆环)对话框，如图 20.8 所示。图 20.8 创建部分圆环对话框 2在创建部分圆环对话框中的输入圆心坐标为：WP X0、WP Y0，内径 Rad-134，起始角度为 Theta-10，外径为 Rad-2100，结束角度为 Theta-290，圆盘厚度为Depth25，如图 20.8 所示。单击按照设置的值建立圆盘模型，在 ANSYS 图形显示对话框中将会显示刚创建圆盘(图略)。3创建代表轴的圆环。接着，在创建部分圆环对话框中输入相应的值来建立代表四分之一轴的圆环。输入的值为：WP X0、WP Y0，内径 Rad-125，起始角度为 Theta-10，外径为 Rad-235，结束角度为 Theta-290，圆盘厚度为 Depth150。然后单击对话中的按钮关闭对话框。在 ANSYS 图形显示对话框中将会显示刚创建圆盘。4调整所建实体的视图。选择菜单路径 Utility Menu|PlotCtrls|Pan Zoom Rotate，打开 Pan-Zoom-Rotate(平移缩放旋转)对话框，并单击对话框右上角的按钮，将建立的模型调到比较合适的位置。调整后的两个圆环几何体如图 20.9 所示。读者可以单击对话框下部的动态显示选择框，然后通过鼠标右键来调整视图位置。图 20.9 建立的盘轴几何模型 5将圆环 2(轴)移动到合适的位置。选择菜单路径 Main Menu|Preprocessor|Modeling|Move/Modify|Volumes，将弹出 Move Volume(移动体)拾取对话框，在图形输出窗口中单击代表轴的圆环将其选中，然后单击对话框中的按钮关闭对话框。将弹出 Move Volume(移动体)对话框，如图 20.10 所示。图 20.10 移动体对话框 6在对话框中的 Z-offset in Active CS(Z 轴方向平移量)文本框中输入“-10”，将该体沿 Z 轴负方向平移 10mm，然后单击按钮关闭此对话框。7对创建的体进行网格划分。选取菜单路径 Main Menu|Preprocessor|Meshing|Mesh Tool 打开分网工具对话框，如图 20.11 所示。图 20.11 分网工具对话框 8 对端面上的线进行分网控制。在网格划分工具对话框(Mesh Tool)中的尺寸控制(Size Controls)区中，单击 Lines(线单元)的按钮，将弹出 Element Sizes on Picked Lines(选定线的单元尺寸定义)拾取对话框。在图形输出窗口中单击轴某个端面上的两条圆弧线，然后单击拾取对话框中的按钮，将弹出 Element Sizes on Picked Lines(选定线的单元尺寸)定义对话框，如图 20.12 所示。图 20.12 对线进行网格控制 9 在线单元尺寸控制对话框中的 No.of element divisions(单元划分个数)文本框中输入“15”，指定轴沿周向划分 15 个单元。单击对话框中的按钮对设置进行确认。10对轴的网格进行控制。重复上面的步骤 8、9 的过程，在图形输出窗口中选则同一端面上的径向边，将它们划分为 2 份。再选择轴的高度上的某条线，将其划分 20 份。11完成对轴的网格划分。单击分网工具对话框中的 Mesh 下拉框中的“Volume”，指定分网对象为体。再单击 Shape(分网形状)控制区的“Hex/Wedge”单选按钮，指定形状为六面体。单击其下面的“Sweep”单选按钮，指定分网方式为扫掠。再单击对话框中的按钮，将弹出 Volume Sweeping(扫掠体)拾取对话框，单击图形显示窗口中的轴，将其选中，单击拾取对话框中的按钮，对轴进行网格划分(关于 Sweep 方式划分网格的详细讲解可参阅本书第 2 章网格划分部分)。12对盘进行网格划分。重复步骤 811，将盘周向划分 10 份，径向划分 8 份，轴向划分 3 份，同样用扫掠的方式对其进行网格划分，最后单击分网工具对话框中的按钮关闭对话框。至此，完成了盘轴结构的有限元建模的全部工作，通过上面的工作建立的有限元模型如图 20.13 所示。图 20.13 盘轴结构的有限元模型 20.2.5 创建接触对 由于轴和盘在连接时是过盈配合，轴的外表面和盘心的表面之间将构成面面接触对。ANSYS6.1 的接触对生成向导可以使用户非常方便地生成分析需要的接触对。下面我们将利用接触对生成向导来生成本实例需要的接触对。在生成接触对的同时，ANSYS 程序将自动给接触对分配实常数号。1 打开接触管理器。选取菜单路径 Main Menu|Preprocessor|Modeling|Create|Contact Pair，打开 ANSYS6.1 中的 Contact Manager(接触管理器)，如图 20.14 所示。图 20.14 接触管理器 2单击接触管理器中的工具条上的最左边按钮，将弹出 Add Contact Pair(添加接触对)对话框，如图 20.15 所示。图 20.15 添加接触对对话框 3单击对话框中的“Areas”