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

2、档一写出执行菜单路径 Main Menu>Preprocessor>Archive> Model>Write ，弹出如图 13-1 所示的模 型归档一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 模型归档一写出设置2 .模型的归档读入执行菜单路径 Main

3、 Menu>Preprocessor>Archive> Model>Read ,弹出如图 13-2 所示的模 型归档一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。ArchiTit Infonati

4、on to Read ALLPB tnd 11cBs 信3 Sol id Nudlcl Fujrna. 部 IGES r ANSY5 Hcmtrek FileArchive tilt file. cAb.WBS flic | Cum# J Hit 图13-2模型归档一读入设置二、MPC多点约束装配MPC即Mutipoint Constraint ,多点约束方程，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。

5、SHELL 模型一BEAMFE模型一载荷施加点。模型。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 Menu>Preprocessor>Coupling>Shell/Solid Interface 创建板壳一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

6、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

7、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2.0X1011 N/m2,泊松比为0.3。题过程第1步，创建零件11 .准备工作（1）清空数据库并开

8、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 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 3)指定新的标题指定分析标题。选取Uti

9、lity>Menu>File>Change Title ,弹出ChangeTitle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 Types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 (Sol

10、id45),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“

11、X”按钮完成材料属性设置。latixL Edit Fararit e HeljiMter b al Model & 昵 finedMateriiAil Kodelr皆34di $£ ructur?!.* LinearElttaUcJ< Orthotropic$ Anisotropic M NguIinraf Densk t?uThif?rial 旧cp演n&lun Damping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>

12、V olumes>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 0.15。 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 len

13、gth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13-7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

14、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 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，cylinder.cdb。 IGES file :输入 IGES 格式文彳名，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

15、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

16、定义。(3)指定新的标题指定分析标题。选取Utility>Menu>File>Change Title ,弹出ChangeTitle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(1)创建矩形选择菜单路径Main Menu>Preprocessor> Modeling>Create>Areas>输入坐标如图13-8所示。绘制矩形(2 )创建圆 选择菜单路径MainMenu>Preproces

17、sor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By Dimensions ,弹出创建矩形对话框, 图 13-8Circle>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>Preprocessor>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>

18、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>Create>V olumes>Cylinder>Solid Cylinder 命令，在对话框中分别输入X=0 , 丫=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 Mai

19、n Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>V olumes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>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

20、寸定义； Mesh项选择Volume, Shape项选择Hex,选才S 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。ELWEKIAN E S 部 3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>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 Assoc

21、iated 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 格式文彳牛名,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>File>Clear & Start New ,弹 出Clears database and Start New对

22、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 3)指定新的标题指定分析标题。选取Utility>Menu>File>Change Title ,弹出ChangeTitle对话框，在Enter New Title项输入标题名，本

23、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 Format ：选择 ANSYS Neutral File ,写出 ANSYS 中性

24、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>V olumes。连续读入的模型如图13-12所示。图13-11读入归档文件TI'FE NUM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，弹出的偏移量设置对 话框，DY

25、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 Menu>

26、;Preprocessor>Modeling>Create>Contact13-14所示的定义接触对目标面对话框。设置选Pair,弹出图13-13所示的接触管理器。单击接触管理器左上角的按钮，弹出图 项如下。Areas。 Target Surface：目标面的对象，选择 Target Type：目标类型，选择 Flexible即柔性目标面。Target Surface: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。A cont*ct pair consists of a target 0urfacr tmd cwt net

27、 vurfocQ,. You vill first define the surface.Target Tjpe:Bodjr (vuliJBe)Modes' PlnlbUPilot Wodc Onlr (AdEULc cd Dpt ion)Pick Target CtficelHelp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

28、 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 algor

29、ithm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>Areas显示模型为面。运行主菜单MainMenu>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