轴销接触问题分析说课讲解

1、轴销接触问题分析1.1问题说明l适用的ANSYS产品：ANSYS/Multiphysics, ANSYS/Mechanical, ANSYS/Structural, ANSYS/EDl难度等级：中等l交互操作实践：45 to 60 minutes (包括求解 15 to 20 分钟)l训练目标：结构分析l分析类型：非线性准静态l使用的单元类型：SOLID185, TARGE170, CONTA174l验证的ANSYS特性：固体模型，布尔操作，对称边界条件，柔性面间的接触， contact wizard，自动时间步，多步载荷，轴对称延伸，动画，时间历程后处理器，求解控制对话框l适用的已有帮助文件

2、： Contact in the ANSYS Structural Analysis Guide, SOLID185, TARGE170, and CONTA174 in the ANSYS Elements Reference.1.2问题描述l这是一个钢轴销与底座上的光滑销孔接触的三维分析。因为模型内在的对称性，可对该对称模型的四分之一进行分析。可定义两种不同的载荷步。 第一载荷步的目的是观察轴销静配合应力，它在几何上比销孔大。第二载荷步的目的是观察由于轴销从块体中拆卸运动形成的应力、接触压力和反作用力。1.2.1给定参数l模型的几何尺寸如下：l轴销的半径PIN = 0.5 units, 长

3、度 = 2.5 units.l底座宽度 = 4 units, 长度 = 4 units, 深度 = 1 unit. l销孔半径 = 0.49 units, 深度 = 1 unit. l两固体均由结构钢制造 (刚度 = 36e6, 泊松比 = 0.3) 且假设为柔性体。1.2.2. 方法与假设方法与假设l四分之一模型适于模拟接触现象。这里用两个载荷步建立分析过程：l Load Step 1: 过渡配合 求解没有附加位移约束的问题。由于其几何特性，轴销被约束在销孔内。 因为目标(pinhole) 和接触体(pin)表面 之间的不匹配而产生应力。 lLoad Step 2: 拆卸Pull-out 在

4、连接的节点上用DOF位移条件将轴销 移出块体1.7 个单位。l明确地调用Automatic Time Stepping以产生收敛解。在求解过程中每10个子步读取一次结果。1.2.3. 步骤概述步骤概述l运用问题描述中的内容和如下的操作步骤作为指导，可自己求解该问题. 或者,通过选择step 1的连接使用详细的交互式逐步求解.l注意：注意：1, 为运行指南，需要至少64MB 的全部存储工作空间，可能更高 (100-200 MB). 在开始运行指南之前, 按如下方式检查存储空间: 2, Utility Menu List Status Configuration3, 滚动条拉到 MEMORY ST

5、ATISTICS 标题，读取所需要的初始工作空间的 MB 数.4, 如果该数值可满足，则执行指南. 如果数值太小，则不存储改变而退出 ANSYS, 重新起动 ANSYS, 在选择Run之前，在 ANSYS 交互式对话框中输入全部工作空间所需要的适当的数值.步骤步骤建立几何模型建立几何模型1. 生成底座生成底座. 2. 生成目标表面生成目标表面. 3. 生成轴销生成轴销. 4. 生成四分之一对称模型生成四分之一对称模型. 定义材料特性和单元类型定义材料特性和单元类型5. 定义材料定义材料. 6. 定义固体单元类型定义固体单元类型. 生成网格生成网格7. 划分固体网格划分固体网格. 8. 为图形显

6、示，光顺单元锐边为图形显示，光顺单元锐边. 9. 用用 Contact Wizard 生成接触对生成接触对. 指定求解准则指定求解准则10. 在四分体上施加轴对称约束在四分体上施加轴对称约束. 11. 在底座上定义边界约束条件在底座上定义边界约束条件. 12. 指定为大位移静态分析指定为大位移静态分析（续）Load Step 113. 定义过渡配合分析选择项定义过渡配合分析选择项. 14. 求解载荷步求解载荷步1. Load Step 215. 在轴销上设置在轴销上设置DOF 位移位移. 16. 定义拆卸定义拆卸(pull-out)分析的选择项分析的选择项. 17. 将结果写到文件中将结果写到

7、文件中. 18. 求解载荷步求解载荷步2. 后处理后处理19. 将四分之一对称模型延伸到整个实体将四分之一对称模型延伸到整个实体. 20. 观察过渡配合的应力状态观察过渡配合的应力状态. 21. 观察轴销上的中间接触压应力观察轴销上的中间接触压应力. 22. 观察拆卸后的应力状态观察拆卸后的应力状态. 23. 动画显示轴销的拆卸动画显示轴销的拆卸. 24. 对轴销的拆卸画出反作用力对轴销的拆卸画出反作用力. 25. 退出退出ANSYS程序程序. 1.3. 建立几何模型建立几何模型 1.3.1. Step 1: 生成底座生成底座l通过指定XYZ坐标产生矩形固体底座。1, Main Menu Pr

8、eprocessor -Modeling- Create -Volumes- Block By Dimensions2 ,输入如下： X1 = -2 X2 = 2；Y1 = -2 Y2 = 2；Z1 = 2.5 Z2 = 3.5 ；3, OK. 4, Utility Menu PlotCtrls Pan, Zoom, Rotate5, 点击 ISO 按钮. 6, Close. 1.3.2. Step 2: 产生目标表面产生目标表面 (底座中的孔底座中的孔)l通过给定半径和深度生成圆柱体.1, Main Menu Preprocessor -Modeling- Create -Volumes-

9、Cylinder By Dimensions2, 输入如下: RAD1 = 0.49 Z1 = 2.5 Z2 = 4.53, OK. l从底座中减去圆柱体.4, Main Menu Preprocessor -Modeling- Operate -Booleans- Subtract Volumes5, 拾取底座作为从中减去的基本实体.6, OK (在拾取菜单中).7, 拾取圆柱体作为被减去的实体 (在该步骤前一部分中产生).8, OK (在拾取菜单中).9, Utility Menu Plot Replot1.3.3. Step 3: Create pin.l通过指定半径和深度产生圆柱体.1

10、, Main Menu Preprocessor -Modeling- Create -Volumes- Cylinder By Dimensions2, 输入如下: RAD1 = 0.5 Z1 = 2 Z2 = 4.53, OK. 4, Utility Menu PlotCtrls Numbering5, 打开体-Volume编号. 6, OK. 7, Utility Menu Plot Replot1.3.4. Step 4: 生成四分之一对称模型生成四分之一对称模型.1, Utility Menu WorkPlane Display Working Plane (toggle on).2

11、, Utility Menu WorkPlane WP Settings3, 选择 Grid and Triad. 4, OK. 5, 在Y 方向上旋转工作平面 90 并将实体分成两部分. 6, Utility Menu WorkPlane Offset WP by IncrementsSlide bar to 90 for Rotation Angle. 7, 点击一次点击一次 Rotate +Y direction. 8, OK. （续）9, Main Menu Preprocessor -Modeling- Operate -Booleans- Divide Volu by WrkPla

12、ne10, Pick All (在拾取菜单中).11, Utility Menu Plot Replot12, Toolbar: SAVE_DB.删除体以产生半对称模型。13, Main Menu Preprocessor -Modeling- Delete Volume and Below14, 拾取表示轴销右侧的两个实体，和底座的右边, 如图所示.15, OK (in picking menu). 16, Utility Menu Plot Replot在X平面转动工作平面90并又将体分为两半。17, Utility Menu WorkPlane Offset WP by Incremen

13、ts18, 点击一次 Rotate 在+X 方向. 19, OK. （续）20, Main Menu Preprocessor -Modeling- Operate -Booleans- Divide Volu by WrkPlane21, Pick All (in picking menu).22, Utility Menu WorkPlane Display Working Plane (toggle off).23, Utility Menu Plot Replot24, Toolbar: SAVE_DB.删除体以生成四分之一对称模型。25, Main Menu Preprocessor

14、 -Modeling- Delete Volume and Below26, 拾取表示轴销和底座上半部分的两个实体, 如图所示.27, OK (in picking menu).28, Utility Menu Plot Replot29, Toolbar: SAVE_DB.1.4. 定义材料特性和单元类型定义材料特性和单元类型1.4.1. Step 5: 定义材料定义材料.l现在可以定义材料现在可以定义材料.1, Main Menu Preprocessor Material Props Material Models2, 双击 Structural, Linear, Elastic, Is

15、otropic. 3, 输入 36e6 for EX (Youngs modulus), and 0.3 for PRXY (Poissons ratio). 4, OK. 5, Material Exit1.4.2. Step 6: 定义单元类型定义单元类型l现在可以定义单元类型现在可以定义单元类型1, Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete2, 加入一种单元类型-Add3, 选择 Structural Solid 单元族4, 选择 Brick8 node 185 (SOLID185). 5, OK 以应用该单元。6, 关闭单元

16、类型对话框。1.5. Generate Mesh1.5.1. Step 7: Mesh solid volume1, Main Menu Preprocessor MeshTool2, 选择Size Controls: Lines Set. 3, 拾取轴销前面边缘的水平和垂直线.4, OK (在拾取菜单).5, 在单元分割数中输入 3, 并对SIZE指定 No ,NDIV 可能被改变. 6, OK. （续）7, 选择 Size Controls: Lines Set. 8, 拾取在底座前面的曲线.9, OK (in picking menu).10, 在单元分割数中输入 4. 11, OK.

17、12, 选择 Volume 网格. 13, 点击 Hex. 14,点击Sweep. 15,点击Sweep 按钮. 16, 拾取轴销和底座实体.17, OK (in the picking menu). 关闭出现的任何警告信息.18, 关闭 Meshtool. 1.5.2. Step 8: 为图形显示光滑单元边部为图形显示光滑单元边部Smooth element edges1, Utility Menu PlotCtrls Style Size and Shape2, Choose 2 facets/edge. 3, OK. 1.5.3. Step 9: 用用Contact Wizard 生成接

18、生成接触对触对1, Main Menu Preprocessor -Modeling- Create Contact Pair Contact Wizard2, 选择 Areas. 3,选择Flexible. 4,选择Pick Target. 5, 拾取轴销孔的表面作为目标(target).6, OK (in picking menu).7, 选择 Next.（续）8, 选择 Areas. 9,选择Pick Contact. 10, 拾取轴销的表层面作为主动接触面.11, OK (in picking menu).12, 选择 Next. （续）13, 对Material ID 输入 1. 1

19、4, Coefficient Friction输入 0.2. 15, 选择 Include Initial Penetration. 16, 选择 Optional settings. 17, 对Normal penalty stiffness 输入 0.1. 18, 选择 the Friction tab. 19, 选择 Unsymmetric for Stiffness matrix. 20, OK. （续）21, 选择 Create. 22, 选择 Finish. 23, Main Menu Preprocessor -Modeling- Create Contact Pair View

20、 and Edit24, 选择 Contact pair. 25, 选择 normals shown. 26, 选择 Display. 27, Make other viewing choices as desired with each followed by Display.28, 当已作完后选择 Close. 29, Utility Menu Plot Areas30, Toolbar: SAVE_DB.1.6. 指定求解准则指定求解准则 1.6.1. Step 10: 在四分之一体上施加对称约束在四分之一体上施加对称约束1, Main Menu Solution -Loads- App

21、ly -Structural- Displacement -Symmetry B. C.- On Areas2, 当初始模型四分后，拾取所暴露出的四个内部表面.3, OK (in picking menu). 1.6.2. Step 11: 定义底座上的边界约束定义底座上的边界约束1, Main Menu Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Areas2, 拾取底座的左边.3, OK (in the picking menu).4, 对将被约束的 DOFs 选择All DOF. 5, 对 Displacement value输

22、入 0. 6, OK 去施加约束. 1.6.3. Step 12: 指定大位移静态分析指定大位移静态分析l在该步中, 可指定分析选项位静态分析，其中包括大变形效应. 为此, 将使用 Solution Controls 对话框, 一个控制面板用于调整对结构静态分析和全瞬态分析最常用的设置. 它由5个标号的 “pages,” 每一个含有一组相关的求解控制. 可再用该指南中的Solution Controls 对话框, 去指定每一载荷步的选项.1, Main Menu Solution -Analysis Type- Soln Control2, 在 Analysis 选择项下，选择大位移静态 La

23、rge Displacement Static. 1.7. Load Step 1 1.7.1. Step 13: 定义过渡配合分析选择项定义过渡配合分析选择项l注意对这两个载荷步, 将自动施加倾斜(ramped) 载荷以代替分布载荷. 当SOLCONTROL 命令为 ON (这里所说的，也是缺省值)，对静态分析这是缺省条件. 1, 载荷步终了时间输入 100. 2, 关闭Automatic time stepping . 3, 再Number of substeps 输入1. 4, OK 去施加设置并关闭对话框. 5, Toolbar: SAVE_DB.1.7.2. Step 14: Sol

24、ve load step 1.1, Main Menu Solution -Solve- Current LS2, 回顾状态窗口中的信息，然后选择：File Close (Windows),orClose (X11/Motif), 以关闭窗口. 3, OK 进行求解. 如果证实窗口出现，选择 Yes, 忽略任何警告信息，但还不能关闭警告信息窗口.4, 当求解结束后，关闭信息窗口. 5, Utility Menu Plot Replot1.8. Load Step 21.8.1. Step 15: 为销轴设定为销轴设定 DOF 位移位移l现在可施加位移值(displacement value)

25、1.7 到轴销前面的所有节点以观察轴销从底座终拉出的效果.1, Utility Menu Select Entities2, 选择 Nodes. 3, 选择 By Location. 4, 选择 Z coordinates. 5, 在 Min, Max下输入4.5. 6, OK. 7, Main Menu Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Nodes8, Pick all (in picking menu).9, 对被约束的DOFs选择 UZ. 10, 对displacement value 1.7 . 11, OK. 1.

26、8.2. Step 16: Define pull-out analysis options1, Main Menu Solution -Analysis Type- Soln Control2, 对Time at end of loadstep 输入 200. 3, 打开Automatic time stepping . 4, 对 Number of substeps 输入100 . 5, 对Max no. of substeps 输入10000 . 6, 对Min no. of substeps输入10. 1.8.3. Step 17: 将结果写入文件将结果写入文件1, 对 Frequen

27、cy, 选择 Write every Nth substep. 2, 对 where N = 输入-10.3, OK 去施加设置并关闭对话框. 4, Utility Menu Select Everything5, Toolbar: SAVE_DB.1.8.4. Step 18: Solve load step 2l当求解第二载荷步时，ANSYS 可产生几个警告信息. 它们将突现在黄色窗口及输出窗口中, 当其不会阻碍求解过程的进行. 然而, 你应知道在缺省状态下, ANSYS 仅在黄色窗口中显示最初的 5 个警告信息. 如果产生更多的警告信息, 如在本在本载荷步中的情况, 它们将不显示在黄色窗

28、口中, 也不将 “Solution is Done!” 信息显示在黄色窗口中.l对本问题，为确保 “Solution is Done!” 信息出现在突现的黄色窗口中, 强烈推荐你改变控制信息号从5到100的设置. 为此, 在输入窗口中输入如下, 然后按下 Enter key: /NERR,100,100,OFFl在求解过程中，如果遇到错误，这些也可保证 ANSYS 不产生异常中断. （续）l可进行以下步骤以获得最终解可进行以下步骤以获得最终解.1, Main Menu Solution -Solve- Current LS2, 观察状态窗口中的信息。然后选择: File Close (Wind

29、ows),orClose (X11/Motif), to close the window. 3, OK 开始求解. 忽略任何警告信息, 但还不要关闭警告窗口.注意求解将用大约注意求解将用大约15分钟分钟.4, 当求解结束Close信息窗口。 1.9. Postprocessing 1.9.1. Step 19: 将四分之一对称模型扩展到整个体积将四分之一对称模型扩展到整个体积1, Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion Periodic/Cyclic Symmetry2, 选择 1/4 Dihedral Sym. 3, OK. 4, U

30、tility Menu Plot Elements5, Toolbar: SAVE_DB.1.9.2. Step 20: Observe interference fit stress state1, Main Menu General Postproc -Read Results- By Load Step2, 对 Load step number输入1. 3, OK. 4, Main Menu General Postproc Plot Results -Contour Plot- Nodal Solu5, 选择应力作为等高线项. 6, 滚动条下拉并选择 von Mises (SEQV).

31、 7, OK. 1.9.3. Step 21: 观察在轴销上的中间接触观察在轴销上的中间接触压力压力1, Main Menu General Postproc -Read Results- By Time/Freq2, 对 value of time or freq输入120. 3, OK. 4, Utility Menu Select Entities5, 选择 Elements. 6, 选择By Elem. Name. 7, 对 Element name输入174. 8, OK. 9, Utility Menu Plot Elements（续）10, Main Menu General P

32、ostproc Plot Results -Contour Plot- Nodal Solu11, 选择 Contact. 12, 选择 Pressure. 13, OK. 1.9.4. Step 22: Observe pulled-out stress state1, Utility Menu Select Everything2, Main Menu General Postproc -Read Results- By Load Step3, 对 Load step number 输入2. 4, OK. 5, Main Menu General Postproc Plot Results

33、 -Contour Plot- Nodal Solu6, 选择Stress 作为等高线项. 7, 滚动条下拉，并选择von Mises (SEQV). 8, OK. 1.9.5. Step 23: 轴销拆卸动画轴销拆卸动画1, Utility Menu Plot Ctrls Animate Over Results2, 对 Model result data 选择 Load Step Range. 3, Include last substep for each load step. 4, 打开Auto contour scaling. 5, 选择 Stress 作为等高线动画. 6, 滚动条

34、下拉，选择 von Mises (SEQV). 7, OK. 8, 如果必要，在Animation Controller (没有显示)作出选择，然后选择 Close.1.9.6. Step 24: Plot reaction forces for pin pull-out1, Utility Menu List Nodes2, OK in the dialog box that follows.3, 注意所有的节点号的 z 坐标是 4.5. 自己计算时的节点数可能与这里所显示的自己计算时的节点数可能与这里所显示的不同不同.4, 选择 File Close (Windows), 或选择 (X11/Motif), 关闭窗口. 5, Utility Menu Plot Volumes6, Main Menu TimeHist Postpro Define