接触分析.赵玉洁

接触分析

汇报人：赵玉洁2015年12月31日12接触分析基础12轴承接触分析3汽车碰撞及接触分析实例主要内容3第一部分接触分析基础接触问题接触分类接触协调条件接触单元面——面接触接触问题4接触问题是高度非线性的，经常面临的两个挑战是：1、很多时候接触区域未知，表面与表面会突然接触或者不接触，这会导致系统刚度的变化。2、大多数接触问题还要考虑摩擦作用。接触分类5接触问题分为两种基本类型：1、刚体——柔体接触(一种软材料与一种硬材料接触时）2、柔体——柔体接触（两个接触体都是变形体）刚体表面变形体接触协调条件6为阻止接触表面相互穿过，需要在两个接触的表面设置一个关系。接触协调条件用一个弹簧施加接触变形条件称为罚函数法。弹簧刚度或接触刚度称为罚函数，该弹簧的变形量满足:7

接触刚度k越大，接触表面的侵入越少，然而该值太大会导致收敛困难。许可侵入量接触协调条件还可以使用拉格朗日乘子法，增加一个附加自由度（接触压力），以防止发生侵入。将罚函数法与拉格朗日乘子法结合起来施加接触协调条件称为增强拉格朗日法。8接触单元9ANSYS有五种类型的接触单元:节点对节点——接触的最终位置事先知道.节点对面——接触区域未知,并且允许大滑动.面对面——接触区域未知,并且允许大滑动三维线对线——该单元支持大滑动大位移

线对面接触——支持大滑动大位移面——面接触接触单元使用“目标面”和“接触面”的概念定义接触对。刚体——柔体接触，目标面总是刚性面，接触面总是变形面。柔体——柔体接触，目标面接触面都与变形体关联。接触单元被约束,不能侵入目标面.然而,目标单元能够侵入接触面.10接触面目标面面——面接触如果凸面与平面或凹面接触,那么平面或凹面应该是目标面.如果一个表面网格粗糙,而另一个表面网格较细,那么网格粗糙的表面应该是目标面.如果一个表面比另一个表面的刚度大,那么刚度大的表面应该是目标面.如果一个表面划分为高次单元,而另一个表面划分为低次单元,那么划分为低次单元的表面应该是目标面.如果一个表面比另一个表面大,那么更大的表面应该是目标面.11面——面接触12接触单元的一般步骤:1. 创建有限元模型.2. 指定接触和目标表面.3. 设置单元选项和实常数.4. 创建目标表面单元.5. 创建接触表面单元.6. 施加边界条件.7. 定义求解选项和载荷步.8. 求解.9. 观察结果.面——面接触13

面对面接触单元由目标和接触表面的独立的单元类型组成，接触对通过共用一个实常数指定.目标169和170单元-刚性或可变形的目标单元接触171至176单元-二维和三维接触单元

面对面接触单元象皮肤一样覆盖在下面的有限元模型上.这些单元非常适合面对面接触应用,如过盈装配接触、进料接触、锻造等.目标单元二维目标单元目标169单元

;目标部分有如下类型:直线、抛物线、圆弧、圆、或控制节点.三维目标单元目标170单元：目标部分有如下类型:三节点三角形、四节点四边形、六节点三角形、八节点四边形、圆柱、圆锥、球和控制节点.14

接触单元二维：接触171单元接触174单元三维：接触171单元接触174单元15面——面接触16该接触副由实常数1确定刚性目标接触单元接触副面——面接触实例17超弹性密封嵌入刚性目标面

接触面

步骤1.创建实体模型并划分网格.步骤2.指定接触面和目标面.在这步骤3.设置单元选项和实常数.接触对由实常数号来确定.目标单元和接触单元必须共用相同的实常数号。面——面接触实例18

应该设置罚刚度比例系数(FKN)和拉格朗日乘子侵入比例系数(FTOLN)。FKN通常介于0.01~10之间.对于体积变形问题,用值1.0(默认),对于以弯曲变形为主的问题,用值0.1。FTOLN默认为0.1.可以改变此值,但若容差太小,会使迭代数过多或不收敛。面——面接触实例19

对于刚性目标面的直接生成,在创建目标单元之前,需要设置附加的单元属性。前处理器>创建>单元>面对面 (Preprocessor>Create>Elements>SurftoSurf)创建表面单元步骤4：创建目标面单元

面——面接触实例20步骤5.创建接触面单元

对于在壳或梁单元上创建目标或接触单元,有一个在梁或壳单元的顶面或底面创建单元的选项。能够控制单元位置21面——面接触实例

如果还没有对模型的任何部分进行网格划分,就不能激活接触向导。

在启用接触向导创建柔体对柔体接触模型之前,要先对所有即将用作接触面的模型部件划分网格.要创建刚体对柔体接触模型,只要对用作柔体接触面的模型部件划分网格。接触向导22面——面接触实例接触向导

所有的接触单元选项和实常数都能通过接触向导得到。创建接触单元和相应的实常数.23

接触向导还允许观看、列表和删除接触副,并且可以快速显示和逆转法线方向.面——面接触实例24面——面接触实例步骤6.在有限元模型上施加边界条件。如果目标面是刚性面,目标面将会自动固定。刚性面自动约束25步骤7:定义求解选项和载荷步.稀疏矩阵求解器对于中等大小的接触模型是最好的选择。PCG求解器用于大型接触模型

。此选项只能用于对称系统。对于小应变、小位移和小滑动问题，要关上大变形效应开关(NLGEOM,OFF).这样设置将加快接触搜索速度。使用一个合理的平衡迭代数目。因为对于大时间增量,迭代计算会变得不稳定,用线性搜索(linesearch)来稳定计算。26步骤7:定义求解选项和载荷步.

为了使接触力平滑传递,时间步尺寸必须足够小.确保一个精确的时间步的可靠方法是使用自动时间步。设置适当的子步数目:开始的子步尺寸(NSBSTP)对于装配接触可以较大,对于大滑动接触应较小.对于剧烈的间断,子步的最大数(NSBMX)应该较大.子部的最小数(NSBMIN)应该较小.注意:为了建立初始接触条件,在第一个子步的二分之一前,要完成所有的平衡迭代。27步骤8.问题求解。步骤9.观察结果。

接触压力、摩擦应力、总应力、接触侵入、接触间隙距离、滑动距离和接触状态都可以直接从通用后处理器或时间历程后处理器中得到。28

第二部分轴承接触分析轴承接触研究现状预压紧力对轴承刚度的影响轴向载荷径向载荷联合载荷二次开发28研究现状Stribeck通过实验对滚珠与滚道的接触问题进行了研究，推导出了球轴承的最大接触载荷与径向载荷的关系，建立了静力学方法模型。但静力学只简单考虑了力学关系和假设理想的运动状态下分析，其结果的可靠性有一定的局限性。拟动力学分析方法是A.B.Jones在考虑离心力和陀螺力矩效应下，分析轴承的运动特性，提出了高速球轴承的“套圈控制理论”假设，这种方法虽然受到套圈控制理论的限制，且没有考虑轴承保持架的影响，但其计算结果对高速轴承的设计是非常有用的。29研究现状高速角接触球轴承内部的速度和运动状态比较复杂，滚珠不仅存在公转、自转，且在滚珠与内外圈滚道接触区还会发生自旋等运动。对轴承运动状态的分析将影响整个轴承的性能分析。对以下四个方面进行分析：1、角接触球轴承滚珠的运动3、轴承受力方程轴承的公转运动4、预紧力对轴承刚度的影响滚珠的自转运动滚珠的自旋运动滚珠的陀螺力矩2、角接触球轴承滚珠的受力滚珠上的受力滚珠上的陀螺力矩30研究现状角接触球轴承滚珠的运动1、滚珠的公转运动高速角接触球轴承在运转时，滚珠绕轴承中心轴线作公转运动的角速度与轴承保持架的角速度是相等的。滚珠公转角速度：

2、滚珠的自转运动轴承在高速运转时，轴承内部滚珠同时会绕自身轴线作自转运动。其中

31研究现状轴承高速运转时，轴承滚珠也会有自旋运动，且滚珠相对滚道的自旋分量为：相对于内滚道：3、滚珠的自旋运动相对于外滚道：根据滚道控制理论：与滚珠之间摩擦力比较大的滚道上不发生自旋，实现纯滚动；与滚珠之间摩擦力比较小的滚道上发生自旋。如果内滚道无自旋，即滚珠相对内滚道的自旋分量为零，称滚珠为“内滚道控制”；如果外滚道无自旋，即滚珠相对外滚道的自旋分量为零，称滚珠为“外滚道控制”。32研究现状接触角不为零时，运转轴承内部滚珠的自转轴线在不断地发生变化，故会受到陀螺力矩的作用，这会使得滚珠产生绕’和轴旋转的运动趋势，即陀螺运动趋势。轴承的速度越高，作用在滚珠上的陀螺力矩就会越大，其陀螺运动的趋势就会越明显。当陀螺力矩进一步增大时起，就可能会引起滚珠的陀螺运动，这会使滚珠在套圈的滚道上产生滑动，加剧了轴承内部发热现象，对轴承的高速运转是不利的。4、滚珠的陀螺力矩33研究现状滚珠的受力1、滚珠上的受力轴承高速运转时，内部滚珠会产生较大的离心力2、滚珠上的陀螺力矩对于接触角不为零的轴承，当滚珠绕两相交的公转和自转轴线旋转时，滚珠会受到惯性力矩的作用。该惯性力矩称为陀螺力矩。34研究现状轴承受力平衡方程通过轴承轴线和方位角处的球中心的平面，如果非共面的摩擦力很小，则如滚珠的载荷图所示，可得力平衡方程：35预压紧力对轴承刚度的影响高速角接触球轴承在定压预紧作用下,随着预紧力的增大,轴向综合刚度是增大的,而径向综合刚度是减小的。当轴承只受到预紧力影响而不受到其他外载荷影响时，轴向刚度的变化幅度大于径向刚度。随着预紧力的增大,内圈接触角变大,外圈接触角变小,内圈接触角大于外圈接触角。轴向变形逐渐增大,且转速越高变化越明显;内外圈法向接触载荷都变大,且内圈法向载荷小于外圈。研究现状36轴向载荷对于角接触球轴承，轴向变形量与载荷的关系为：加载轴向力时，将轴向力转化为面压力。其中PI=ACOS(-1)，其大小取决于机器精度。

其中D为滚动体直径，Z为钢球个数，F为轴向力。

37轴向载荷约束方式：复制命令流至对称结束之后。选择外圈的左端面，约束其x、y、z方向位移。将坐标系绕y轴顺时针旋转90度，切换到柱坐标系，选定钢球的中心节点，约束此节点y方向位移（此刻的坐标系对应的是周向位移）。将坐标系绕y轴逆时针旋转90度并切换到笛卡尔坐标系（也就是恢复到最初的坐标系）。在内圈的右侧端面加载压力0.054MPa。38轴向载荷只加载轴向力Mises应变图只加载轴向力Mises应力图3940

径向载荷轴承加载径向力时，实际工况需要以余弦载荷的形式加载。余弦载荷的大小：注意事项：所谓余弦载荷，实际定义时为正弦。

因为坐标系是柱坐标系，x轴代表轴向，y轴代表旋转的径向，角度为从x轴水平方向逆时针旋转，所以角度为90-，所以实际加载载荷时定义的函数应该是sin即正弦。坐标系的选择与切换。40余弦载荷41余弦载荷

定义函数4142

余弦载荷图像显示各个节点力随坐标轴变化余弦力变化图像4243

余弦载荷结果分析加载余弦载荷mises应力图加载余弦载荷mises应变图4344

余弦载荷结果分析

可以发现加载余弦载荷时，应力应变值最接近理论值，控制在10％以内。加载不同的力结果对比分析44联合载荷联合载荷即同时加载轴向力与径向力。约束方式：外圈全约束。钢球约束柱坐标系下的切方向。内圈耦合内表面y方向位移，并在内圈内表面加载y+方向996N径向力。内圈端面以面压力方式加载240N径向力。45联合载荷小模型联合载荷下mises应力图联合载荷下mises应变图46联合载荷47大模型联合载荷下mises应力图联合载荷下mises应变图48二次开发思路：利用vb设计界面并且编写程序，然后直接生成APDL的txt格式，把它导入ANSYS中，实现建模接触加载求解一系列操作。主要分为两个步骤：1、滚动轴承的参数化建模。2、滚动轴承的接触分析。流程图：设计思路4849

二次开发界面及说明

插件的页面分为四个不同界面，分别为轴承尺寸、材料参数、加载与求解。下图为第一个界面：轴承尺寸。4950二次开发界面及说明材料参数加载5051

二次开发界面及说明求解界面有一个ansys安装路径，点击参数化有限元分析这个button会直接将命令流导入ansys。要注意安装在哪个盘，安装的是哪一代的ansys，是32位还是64位。点击生成命令流按钮，便会在计算机c盘生成名为1的文档，里面是整个过程的命令流。

5152二次开发后期完善接触部分处理：因为单元节点众多，编号无规律可循，所以在编程中可以直接调用了ANSYS提供的相关接触单元类型，如接触面选择含中节点的8节点四边形单元CONTACT174，目标面接触单元类型选用了无中间节点的3节点三角形单元TARGE170。后处理：后处理模块，在ansys后处理中导出有限元网格模型、变形图、应力和应变云图等。反映到vb界面上。在图像窗体中添加视角参数，可实现多个角度观查分析结果。增加分析功能：随着对轴承研究的加深，可以在二次开发里增加模态分析、热分析等模块。5253第三部分汽车碰撞及接触分析实例汽车碰撞齿轮接触分析实例弹性触头接触分析（多载荷步）汽车碰撞54采用automatic接触类型。因为汽车碰撞过程中很难判别接触方向，而automatic接触方式是自动从壳单元两边进行检测，适用各种复杂情况。Singlesurface的接触类型广泛适用于汽车碰撞。

三种：CONTACTSINGLESURFACE

CONTACTAUTOMATICSINGLESURFACECONTACTAUTOMATICGENERAL对于汽车碰撞分析，一般设置一个总体单面接触，用于所有汽车部件可能发生的接触检测。然而总体接触有时在局部失效，所以常设一些局部的接触类型。

汽车碰撞55局部接触设置：气囊的自身接触气囊与假人、方向盘的接触安全带与假人的接触泡沫、橡胶等非金属材料与钢材的接触（侧碰移动壁障与汽车的接触）汽车碰撞56一、气囊的自身接触使用CONTACTAUTOMATICSINGLESURFACE单元类型，该接触类型专门用于汽车自身接触处理。设置SOF=1（软的纤维材料特性）气囊折叠后常有初始渗透，两种解决办法：1、定义一条曲线，指定壳单元的厚度与时间有关2、使用可选卡片C中IGNORE的参数，设置IGNORE=1.消除气囊初始渗透。57使用CONTACTAUTOMATICSINGLESURFACE接触类型。问题：材料特性差异太大、气囊厚度太小。设置SOF=1以及气囊接触厚度SST=1汽车碰撞二、气囊与假人、方向盘的接触58汽车碰撞三、安全带与假人的接触安全带材料软，厚度小，包含1d单元，需特殊处理对于1d安全带单元，设置它为从面，假人为主面。由于没有节点厚度，需要人工设置，一般设置SST=2-4mm。对于2d安全带单元，使用CONTACTAUTOMATICSINGLESURFACE接触类型，并设置SOFT=1及SST=2-4mm代替单元真实厚度。四、泡沫、橡胶等非金属材料与钢材的接触

需要进行特殊节点处理，否则会出现负体积及节点速度无限大。

汽车碰撞

59接触对象的设置：

在定义全局接触时，不需要把所有的部件part都包含进行。应把需要局部设置的部件排除在外，如安全带、假人、气囊等。针对不同的碰撞方式设置不同的接触区域，减少搜索接触的区域，减少CPU运算时间。汽车碰撞60接触阻尼设置粘性接触阻尼参数VDC缺省是0，该参数在接触分析中有效降低接触力的高频振荡部分，一般设置VDC=20。接触摩擦设置使用part—contact定义摩擦系数的方式对各part摩擦系数进行设置。在contact关键字中把FS设为-1.接触厚度设置接触厚度一般不能低于0.6-0.7mm，有些厚度太小的部件（气囊，安全带）需要人为增加厚度。一般壳单元厚度小于1mm，必须增加厚度。61斜齿轮接触分析问题：一对啮合的齿轮在工作时发生接触，分析其接触时的位置及接触力的大小。62斜齿轮接触分析1、定义单元。为斜齿轮选用Solid185单元,用Contact174和