第13章有限元分析的装配技术

1、第13章 有限元分析的装配技术第1节 基本知识一、模型的归档与模型的合并装配在实际问题中，创建的有限元模型最后必须装配起来形成部件或装配体。将每个有限元模型按一定规则写出，供装配时调用的过程叫模型的归档；将归档的不同有限元模型装配起来，就是模型的合并过程，在模型的合并过程中必须注意合并模型的各种实体对象和属性参数编号的冲突，避免发生重用编号等问题。ANSYS提供了进行模型合并装配的功能，执行菜单Main Menu>Preprocessor>Archive> Model，有两个选项：一个是Write，用于写出各零件模型；另一个是Read，用于读入各个零件模型。1模型的归档写出执

2、行菜单路径Main Menu>Preprocessor>Archive> Model>Write，弹出如图13-1所示的模型归档写出模型文件对话框，各项设置如下。 Data to Archive：选择All Associated FE and IGES（2 file），写出IGES文件和所有有限元模型及其相关文件信息，包括几何信息、材料属性、组件数据。 Archive file：输入归档模型文件名，文件后缀为cdb。 IGES file：输入IGES格式文件。图13-1 模型归档写出设置2模型的归档读入执行菜单路径Main Menu>Preprocessor>

3、;Archive> Model>Read，弹出如图13-2所示的模型归档读入模型文件对话框，各项设置如下。 Data to Archive：选择All Associated FE and IGES（2 file），读入IGES文件和所有有限元模型及其相关文件信息，包括几何信息、材料属性、组件数据。 Archive file：输入归档模型文件名，文件后缀为cdb。 IGES file：输入IGES格式文件。对于多模型的合并操作，读入归档模型时，必须与归档写出时的操作完全对应。图13-2 模型归档读入设置二、MPC多点约束装配MPC即Mutipoint Constraint，多点约束方

4、程，其目的是将不连续、自由度不协调的单元网格连接起来，不需要连接边界上的节点完全一致。MPC能够连接以下模型。 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模型载荷施加点。在ANSYS中，实现上述MPC技术有三种途径。一是通过MPC184单元定义模型的刚性或二力杆的连接关系。定义MPC184单元模型与定义杆单元的操作完全一致，而MPC单元的作用可以是刚性杆（类似于CP，但允许考虑几何大位移功能，三个自由度连接关系）或者刚性梁（六个自由度连接关系）。二是利用约束方程菜单路径Main

5、 Menu>Preprocessor>Coupling>Shell/Solid Interface创建板壳实体之间的装配关系。三是利用ANSYS接触向导功能定义模型之间的装配关系。选择菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling>create>Contact Pair，弹出接触向导对话框，按提示创建接触对，并将Basic选项卡中的Contact alogrithm（接触算法）设置为MPC alogrithm，将behavior of contact surface设置为Bound（initial contact）。MPC技术还

6、支持大位移算法，在实际结构计算时比其它算法更准确。MPC技术进行有限元分析涉及模型归档的写出、读入技术，模型的临界区域或者刚性区域的装配技术，模型的接触装配技术和模型的MPC接触装配技术。第2节 装配实体的有限元分析实例案例1装配体的有限元分析a) 零件1：圆柱体 b) 零件2：轴座 c) 装配体图13-3 装配模型示意图问题如图13-3所示，为轴和轴座的装配示意图。零件1为圆柱体，其半径为0.15米，长2米。零件2为轴座，长为1米，厚为0.2米，高为1.5米，孔距底面1米，半径0.15米，并与轴座上部半圆同心。将零件1装配到零件2（2件）孔内，且圆柱体的两端面分别与轴座的侧面平齐。装配模型底

7、面固定，圆柱上部中间施加40 000N的力，计算装配模型的应力和变形情况。条件弹性模量为2.0×1011 N/m2，泊松比为0.3。解题过程第1步，创建零件11准备工作（1）清空数据库并开始一个新的分析 选取Utility>Menu>File>Clear & Start New，弹出Clears database and Start New对话框，单击OK按钮，弹出Verify对话框，单击OK按钮完成清空数据库。（2）指定新的工作文件名 指定工作文件名。选取Utility>Menu> File>Change Jobname，弹出Change

8、 Jobname对话框，在Enter New Jobname项输入工作文件名，本例中输入的工作文件名为“11”，单击OK按钮完成工作文件名的定义。（3）指定新的标题 指定分析标题。选取Utility>Menu>File>Change Title，弹出Change Title对话框，在Enter New Title项输入标题名，本例中输入“Cylinder”为标题名，然后单击OK按钮完成分析标题的定义。2定义单元类型运行主菜单Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，弹出Element Type

9、s对话框，单击Add按钮新建单元类型，弹出Library of Element Types对话框，先选择单元大类为Solid，接着选择Brick 8nod 45（Solid45），单击OK按钮，完成单元类型选择，单击Close按钮完成设置，如图13-4所示。图13-4 定义单元类型3定义材料属性运行主菜单Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models命令，系统显示材料属性设置对话框，在材料属性对话框中依次选择Structure、Linear、Elastic、Isotropic，如图13-5所示。完成选择后，弹出材料属

10、性输入对话框，分别输入弹性模量2e11，泊松比0.3，如图13-6所示，单击OK按钮完成材料属性输入并返回图13-5。单击对话框右上方“X”按钮完成材料属性设置。1234图13-5 进入材料属性设置图13-6 定义材料属性4创建圆柱模型选择菜单路径Main Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Volumes>Cylinder>Solid Cylinder，弹出Solid Cylinder对话框，设置下列选项。 WP X：圆柱底面圆心X坐标，输入0。 WP Y：圆柱底面圆心Y坐标，输入0。 Radius：圆柱体的半径，输入0.

11、15。 Depth：圆柱体的高度，输入2。等轴侧显示图形。5划分圆柱体网格运行主菜单Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool命令，出现MeshTool菜单，按Size Control项中Globle后Set按钮，弹出单元尺寸定义对话框，在Element edge length项中输入0.05，按OK按钮结束单元尺寸定义；Mesh项选择Volume，Shape项选择Hex，选择Sweep（扫掠划分器）；单击Sweep按钮划分网格，在出现的Volume Sweep对话框中单击Pick All按钮，系统将自动完成网格划分。划分网格结果如图13-

12、7所示。图13-7 划分网格结果6定义加载关键点选择菜单路径Main Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Keypoints>In Active CS，定义关键点10，其坐标为（0,0.15,1）。7写出模型数据文件选择菜单路径Main Menu>Preprocessor>Archive Model>Write，弹出写归档文件对话框如图13-1所示，输出文件名定义为cylinder，具体设置如下。 Data to Archive：选择All Associated FE and IGES（2 file），写出IGE

13、S文件和所有有限元模型及其相关文件信息，包括几何信息、材料属性、组件数据。 Archive file：输入归档文件名，cylinder.cdb。 IGES file：输入IGES格式文件名，cylinder.iges。单击OK按钮结束。存储有限元分析模型，退出前处理器。第2步，创建零件21准备工作（1）清空数据库并开始一个新的分析 选取Utility>Menu>File>Clear & Start New，弹出Clears database and Start New对话框，单击OK按钮，弹出Verify对话框，单击OK按钮完成清空数据库。（2）指定新的工作文件名 指

14、定工作文件名。选取Utility>Menu> File>Change Jobname，弹出Change Jobname对话框，在Enter New Jobname项输入工作文件名，本例中输入的工作文件名为“22”，单击OK按钮完成工作文件名的定义。（3）指定新的标题 指定分析标题。选取Utility>Menu>File>Change Title，弹出Change Title对话框，在Enter New Title项输入标题名，本例中输入“Block”为标题名，然后单击OK按钮完成分析标题的定义。2定义单元类型和材料属性 与第1步之2，3相同。3创建轴座模型

15、（1）创建矩形 选择菜单路径Main Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Areas> Rectangle>By Dimensions，弹出创建矩形对话框，输入坐标如图13-8所示。图13-8 绘制矩形（2）创建圆 选择菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas> Circle>Solid Circle命令，在对话框中分别输入X=0，Y=1，Radius=0.5，单击OK按钮，完成。（3）平面相加 运行主菜单Main Menu>P

16、reprocessor>Modeling>Operate>Booleans> Add>Areas命令，在弹出的拾取对话框中单击Pick All按钮完成布尔加操作。（4）拖拉面成体 选择菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude> Areas>By XYX Offset，弹出拖拉面偏移量设置对话框，设置如图13-9所示。单击OK按钮。图13-9 拖拉面偏移设置（4）创建圆柱体 选择菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling>C

17、reate>Volumes> Cylinder>Solid Cylinder命令，在对话框中分别输入X=0，Y=1，Radius=0.15，Depth=0.2，单击OK按钮完成。（5）布尔减操作 运行主菜单Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate> Booleans>Subtract>Volumes命令，在弹出的拾取对话框中先拾取全部，单击OK按钮，再拾取小圆柱体，单击OK按钮完成布尔减操作。等轴侧显示图形。4划分轴座网格运行主菜单Main Menu>Preprocessor>Meshing

18、>MeshTool命令，出现MeshTool菜单，按Size Control项中Globle后Set按钮，弹出单元尺寸定义对话框，在Element edge length项中输入0.1，按OK按钮结束单元尺寸定义；Mesh项选择Volume，Shape项选择Hex，选择Sweep（扫掠划分器）；单击Sweep按钮划分网格，在出现的Volume Sweep对话框中单击Pick All按钮，系统将自动完成网格划分。划分网格结果如图13-10所示。图13-10 零件划分网格结果5写出模型数据文件选择菜单路径Main Menu>Preprocessor>Archive Model&g

19、t;Write，弹出写归档文件对话框如图13-1所示，输出文件名定义为block，具体设置如下。 Data to Archive：选择All Associated FE and IGES（2 file），写出IGES文件和所有有限元模型及其相关文件信息，包括几何信息、材料属性、组件数据。 Archive file：输入归档文件名，block.cdb。 IGES file：输入IGES格式文件名，block.iges。单击OK按钮结束。存储有限元分析模型，退出前处理器。第3步，采用MPC技术装配模型并求解及后处理1准备工作（1）清空数据库并开始一个新的分析 选取Utility>Menu&g

20、t;File>Clear & Start New，弹出Clears database and Start New对话框，单击OK按钮，弹出Verify对话框，单击OK按钮完成清空数据库。（2）指定新的工作文件名 指定工作文件名。选取Utility>Menu> File>Change Jobname，弹出Change Jobname对话框，在Enter New Jobname项输入工作文件名，本例中输入的工作文件名为“Assembly”，单击OK按钮完成工作文件名的定义。（3）指定新的标题 指定分析标题。选取Utility>Menu>File>C

21、hange Title，弹出Change Title对话框，在Enter New Title项输入标题名，本例中输入“Assembly”为标题名，然后单击OK按钮完成分析标题的定义。2装配模型（1）读入归档文件 选择菜单路径Main Menu>Preprocessor>Archive Model>Read，弹出读入归档文件对话框如图13-11所示，读入文件名分别定义为cylinder和block，其中block读入两次，具体设置如下。 Data to Archive：选择COMB Associated DB and SOLID（1 file）。 Solid Model For

22、mat：选择ANSYS Neutral File，写出ANSYS中性文件。 Archive file：输入归档文件名。单击OK按钮结束。执行取Utility Menu>Select>Everything。执行取Utility Menu>Plot>Volumes。连续读入的模型如图13-12所示。图13-11 读入归档文件图13-12 读入的几何模型（2）装配几何模型 选择菜单路径Main Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Move /Modify>Volumes，弹出体移动对话框，拾取圆柱体，单击OK按钮

23、，弹出的偏移量设置对话框，DY项输入1，其它默认，按OK按钮完成圆柱体移动。选择菜单路径Main Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Copy>Volumes，弹出体复制对话框，拾取轴座，单击OK按钮，弹出的偏移量设置对话框，DZ项输入1.8，其它默认，按OK按钮完成轴座的移动。完成模型装配，装配结果如图13-12所示。图13-12 模型装配结果3创建接触装配（1）装配模型显示为面 选进入前处理器，模型显示为面。选择菜单路径Utility>Menu> Plot>Areas。（2）创建接触装配 选择菜单路径Main

24、 Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Contact Pair，弹出图13-13所示的接触管理器。图13-13 接触管理器单击接触管理器左上角的按钮，弹出图13-14所示的定义接触对目标面对话框。设置选项如下。 Target Surface：目标面的对象，选择Areas。 Target Type：目标类型，选择Flexible即柔性目标面。单击Pick Target按钮，用鼠标拾取圆柱体的2个外圆弧，单击Apply按钮，返回图13-14。图13-14 定义接触对目标面对话框单击Next按钮弹出图13-15所示的定义接触对接触面对话框。设置

25、下列选项。 Contact Surface：接触面的对象，选择Areas。 Contact Element Type：接触面类型，选择Surface-to-Surface，即面-面接触。单击Pick Contact按钮，用鼠标拾取每个轴座的2个内壁圆弧（或输入面号1,3,10,11），单击Apply按钮，返回图13-15。图13-15 定义接触对接触面对话框单击Next按钮弹出如图13-16所示的接触绑定设置对话框。设置如下， Include initial penetration：包括初始渗透。 Friction：Material ID选择1，Coefficient of Friction项

26、为空。单击Optional settings按钮弹出定义接触绑定属性设置对话框如图13-17所示。在该对话框中，Contact algorithm（接触算法）设置为MPC algorithm即MPC算法。其它按图中设置。按OK返回图13-16，按Create按钮创建接触对，结果如图13-18。按Finish按钮，关闭接触管理器。选择菜单路径Utility Menu>Select>Everything。图13-16 接触对设置对话框图13-17 接触绑定属性设置-基本属性选项卡设置图13-18 创建接触对4施加约束和载荷（1）施加约束 执行菜单Utility Menu>Plot

27、>Areas显示模型为面。运行主菜单Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Areas，出现拾取菜单，依次选择轴座底面（或输入6，18），单击OK按钮出现约束定义对话框，如图13-19所示，选择All DOF约束所有自由度，其它项默认，再单击OK按钮，完成约束定义。（2）施加载荷 运行主菜单Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural> Force/Moment>On Nodes命令，出现拾取菜单，在输入框输入1 210（坐标为x=0,y=1.15,z=1的节点编号），单击OK按钮出现载荷定义对话框，如图13-20所示，载荷类型为力，数值为40 000N，再单击OK按钮完