ansys螺栓与强度计算培训Ch3

1、接触刚度接触刚度第三章第三章advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 2001inventory # 0015673-2接触刚度接触刚度a. 基本内容基本内容回顾回顾:所有的所有的 ansys 接触单元都采用罚刚度（接触刚度）来保证接触界面的协接触单元都采用罚刚度（接触刚度）来保证接触界面的协调性调性. 在数学上为保持平衡，需要有穿透

2、值在数学上为保持平衡，需要有穿透值 ( d 0)d 0).然而然而, 物理接触实体是没有穿透的物理接触实体是没有穿透的 ( (d = 0).d = 0). 接触弹簧产生变形接触弹簧产生变形 d d ,满足平衡方程满足平衡方程:f = k d d式中式中 k 为接触刚度为接触刚度.fd dadvanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 200

3、1inventory # 0015673-3接触刚度接触刚度. 基本内容基本内容作为分析人员作为分析人员, , 将面对困难的选择将面对困难的选择: : 小的穿透计算精度高小的穿透计算精度高. . 因此因此, , 接触刚度应该很大接触刚度应该很大. . 然而然而, , 太大的接触刚度会产生收敛困难太大的接触刚度会产生收敛困难. . 模型可能会振荡模型可能会振荡, , 接触表面互相跳开接触表面互相跳开. .迭代步迭代步 n迭代步迭代步 n+1fff f接触接触f迭代步迭代步 n+2advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact

4、& bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 2001inventory # 0015673-4接触刚度接触刚度 . 基本内容基本内容接触刚度接触刚度 是是同时影响计算精度和收敛性的最重要的参数同时影响计算精度和收敛性的最重要的参数. .你必须仔细选定一个合适的接触刚度你必须仔细选定一个合适的接触刚度. . 平衡收敛效率和计算精度之间的关系平衡收敛效率和计算精度之间的关系. . “最好最好” ” 的值是与问题相关的的值是与问题相关的, , 必须不断通过验

5、证计算来确定必须不断通过验证计算来确定. . 使用一个试验值使用一个试验值, , 然后考察收敛性和计算精度然后考察收敛性和计算精度. .advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 2001inventory # 0015673-5接触刚度接触刚度. 基本内容基本内容除了在表面间传递法向运动除了在表面间传递法向运动( (压力压力), ),

6、 接触单元还传递切向运动接触单元还传递切向运动( (摩擦摩擦).).接触单元采用接触单元采用切向罚刚度切向罚刚度 保证切向保证切向方向的协调性方向的协调性. .切向罚刚度与法向罚刚度以同样的切向罚刚度与法向罚刚度以同样的方式对收敛性和计算精度产生影响方式对收敛性和计算精度产生影响. .ftangentd dftangent = ktangent d dadvanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension

7、6.0training manualoctober 15, 2001inventory # 0015673-6接触刚度接触刚度b. 指定一个值指定一个值选定一个合适的接触刚度值需要一些经验选定一个合适的接触刚度值需要一些经验. .对于面面接触单元对于面面接触单元, , 接触刚度通常指定为基体单元刚度的一个比接触刚度通常指定为基体单元刚度的一个比例因子例因子. . 开始估计时开始估计时, , 选用选用: fkn = 1.0 大面积实体接触大面积实体接触. . fkn = 0.01 0.1 较柔软较柔软 ( (弯曲占主导的弯曲占主导的) )部分部分. 另外另外, , 也可以指定一个绝对刚度值也可以

8、指定一个绝对刚度值, , 单位是单位是 ( (力力/ /长度长度)/)/面积面积.advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 2001inventory # 0015673-7接触刚度接触刚度. 指定一个值指定一个值点点点点 ( (除除 conta178) ) 和点面接触单元需要为罚刚度和点面接触单元需要为罚刚度 kn 输输入绝对值入绝

9、对值. . 初始估计时初始估计时: 对于大变形对于大变形: 0.1*e kn 1.0*e 对于弯曲对于弯曲: 0.01*e kn 0.1*e e 为弹性模量为弹性模量. 如何计算合适的绝对刚度值的详细讨论请参考如何计算合适的绝对刚度值的详细讨论请参考 附录附录.advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 2001inventory #

10、0015673-8接触刚度接触刚度. 指定一个值指定一个值下面的过程可以作为指导下面的过程可以作为指导: :1. 开始采用较小的刚度值开始采用较小的刚度值.2. 对前几个子步进行计算对前几个子步进行计算.3. 检查穿透量和每一个子步中的平衡迭代次数检查穿透量和每一个子步中的平衡迭代次数. 在粗略的检查中在粗略的检查中, ,如如以实际比例显示整个模型时就能够观察到穿透以实际比例显示整个模型时就能够观察到穿透, , 则穿透可能太大了则穿透可能太大了, ,需要提高刚度重新分析需要提高刚度重新分析. . 如果收敛的迭代次数过多如果收敛的迭代次数过多 ( (或未收敛或未收敛), ), 降低刚度重新分析降

11、低刚度重新分析. 注意注意: : 罚刚度可以在载荷步间改变罚刚度可以在载荷步间改变 , , 并且可以在重启动中调整并且可以在重启动中调整. .advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 2001inventory # 0015673-9接触刚度接触刚度. 指定一个值指定一个值牢记牢记: : 接触刚度是同时影响计算精度和收敛性的最重要的参

12、数接触刚度是同时影响计算精度和收敛性的最重要的参数. . 如果你能够完全掌握这个要点如果你能够完全掌握这个要点, , 就可以处理绝大部分接触困难就可以处理绝大部分接触困难!如果有收敛问题如果有收敛问题, , 减小刚度值减小刚度值, , 重新分析重新分析.在敏感的分析中在敏感的分析中, , 还应该改变罚刚度来验证计算结果的有效性还应该改变罚刚度来验证计算结果的有效性. 在连续分析中减小刚度的范围在连续分析中减小刚度的范围, , 直到重要的结果项直到重要的结果项 ( (接触压力接触压力, , 最大最大 seqv 等等) 不再明显改变不再明显改变. . advanced contact &

13、bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 2001inventory # 0015673-10接触刚度接触刚度 .练习练习 1-平面密封圈平面密封圈 练习指导请参考练习指导请参考练习附录练习附录:w1. 接触刚度接触刚度.advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension

14、 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 2001inventory # 0015673-11接触刚度接触刚度c. 附录附录 计算刚度值计算刚度值接触刚度接触刚度附录附录advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 2001invent

15、ory # 0015673-12接触刚度接触刚度 附录附录 计算刚度值计算刚度值通常通常, , 可以由接触表面的相对刚度估计一个比较好的接触刚度可以由接触表面的相对刚度估计一个比较好的接触刚度. .大面积实体的刚度一般大于弹性的易弯曲结构的刚度大面积实体的刚度一般大于弹性的易弯曲结构的刚度. . 接触刚度主接触刚度主要是相对于大面积实体结构而言要是相对于大面积实体结构而言. . 大面积接触的实例有金属加工，车轮和铁轨，销钉和轴承座等大面积接触的实例有金属加工，车轮和铁轨，销钉和轴承座等. 易弯曲的接触实例有叶片弹簧，板成形等易弯曲的接触实例有叶片弹簧，板成形等. .advanced conta

16、ct & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 2001inventory # 0015673-13接触刚度接触刚度. 附录附录 计算刚度值计算刚度值对于大面积实体对于大面积实体, , 赫兹接触刚度赫兹接触刚度 通常可以为接触刚度提供合适的通常可以为接触刚度提供合适的基本值基本值. . 这个刚度可以由单元尺寸和杨氏模量来估计这个刚度可以由单元尺寸和杨氏模量来估计. .

17、对于具有一致形状的对于具有一致形状的 3d 单元单元, , 赫兹刚度可以近似为赫兹刚度可以近似为 khertz a x e, 式中式中 a 是特征单元尺寸是特征单元尺寸, , e 是杨氏模量是杨氏模量. .对于具有厚度对于具有厚度 (t) 的的 2d 单元单元, , 赫兹刚度可以近似为赫兹刚度可以近似为 khertz t x e. 对于对于 2d 轴对称单元轴对称单元, “厚度厚度” 是是 1 弧度弧度 x r, 赫兹刚度近似为赫兹刚度近似为 khertz r x e.aaaaatraaadvanced contact & bolt pretension 6.0advanced con

18、tact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 2001inventory # 0015673-14接触刚度接触刚度. 附录附录 计算刚度值计算刚度值实践中实践中, , 大面积接触刚度的合适初值应为大面积接触刚度的合适初值应为 kcontact = fbulk x khertz, 式式中因子中因子 fbulk 对于大面积实体介于对于大面积实体介于 0.1 和和 10 之间之间. 由于由于 fbulk 的初始估计值在至少两个量级的范围内的初始估计值

19、在至少两个量级的范围内, , 并且由于并且由于 kcontact 总总要通过试验进行调整要通过试验进行调整, , 因此当估计罚刚度时没有必要担心单元尺寸因此当估计罚刚度时没有必要担心单元尺寸. .对于大面积实体对于大面积实体, , 可只通过下式简单地估计罚刚度可只通过下式简单地估计罚刚度k = fbulk x e 式中因子式中因子 fbulk 通常介于通常介于 0.1 和和 10 之间之间, , fbulk 的合适的初值通常可取的合适的初值通常可取 fbulk = 1.0. . 此估计值假定一个近似的此估计值假定一个近似的“单位单位”单元长度单元长度; ; 对于非常大或非常小的对于非常大或非常

20、小的单元单元 , , 可能需要相应地调整可能需要相应地调整 fbulk 值值. .advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 2001inventory # 0015673-15接触刚度接触刚度. 附录附录 计算刚度值计算刚度值如果接触包含两种不同的材料如果接触包含两种不同的材料, , 采用较软的接触材料的采用较软的接触材料的 e .如

21、果存在塑性，说明剪切模量降低如果存在塑性，说明剪切模量降低. .对于对于 mooney-rivlin 超弹材料，材料模型不使用值超弹材料，材料模型不使用值 e，必须为此必须为此模型估计值模型估计值 e. 可以简单地从应力应变曲线中的相应部分提取弹性模量值可以简单地从应力应变曲线中的相应部分提取弹性模量值. . 或者通过或者通过 e = 6(a + b) 估计一个初始模量，式中估计一个初始模量，式中 a 和和 b 是头两个是头两个 mooney-rivlin 常数常数. .advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact &am

22、p; bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 2001inventory # 0015673-16接触刚度接触刚度. 附录附录 计算刚度值计算刚度值对于柔性部分对于柔性部分 ( (梁和壳模型梁和壳模型) ) 系统刚度可能远小于赫兹接触刚度系统刚度可能远小于赫兹接触刚度. . 这种情况下可以先进行静力分析，把单位载荷施加到预期的接触面这种情况下可以先进行静力分析，把单位载荷施加到预期的接触面上以确定模型的局部刚度上以确定模型的局部刚度. . 接触刚度可以由下式进

23、行估计接触刚度可以由下式进行估计: :k = fbend(p/d d)式中式中 p 是施加的单位载荷，是施加的单位载荷，d d 是相应的变形，对于柔体接触是相应的变形，对于柔体接触 , fbend 是介于是介于 1 和和 100 之间的因子之间的因子. fbend = 1 通常是一个很好的初值通常是一个很好的初值.实践中为简便实践中为简便, 可以只由下式估计接触刚度可以只由下式估计接触刚度:k = fbulk x e/10advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0advanced contact & bolt pretension 6.0training manualoctober 15, 2001inventory # 0015