经典实例：轴盘接触分析实例

时间：2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：图9-88所示为轴盘过盈配合，材料弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，接触摩擦因数为0.2，求解轴盘的接触应力和从盘中拔出轴时的接触应力情况。图9-91 “Preferences for GUI Filtering”对话框图9-92 输入单位命令5.定义单元类型1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete”命令，弹出“Element Types”对话框，如图9-93所示。

经典实例：轴盘接触分析实例

图9-88所示为轴盘过盈配合，材料弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，接触摩擦因数为0.2，求解轴盘的接触应力和从盘中拔出轴时的接触应力情况。

图9-88 轴盘过盈配合

操作步骤

1.启动ANSYS 14.5

双击桌面上的“Mechanical APDL Product Launcher”图标，弹出“ANSYS配置”窗口，在“Simulation Environment”选择“ANSYS”，在“license”选择“ANSYS Multiphysics”，然后指定合适的工作目录，单击“Run”按钮，进入ANSYS用户界面。

2.指定工程名和分析标题

1）选择“Utility Menu＞File＞Change Jobname”命令，弹出“Change Jobname”对话框，修改工程名称为“shaftdisc”，如图9-89所示。单击“OK”按钮完成修改。

2）选择“Utility Menu＞File＞Change Title”命令，弹出“Change Title”对话框，修改标题为“Contact Analysis of shaft and disc”，如图9-90所示。单击“OK”按钮完成修改。

图9-89 “Change Jobname”对话框

图9-90 “Change Title”对话框

3）选择“Utility Menu＞Plot＞Replot”命令，指定的标题“Contact Analysis of shaft and disc”显示在窗口的左下方。

3.指定分析类型

选择“Main Menu＞Preference”命令，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，勾选“Structural”选项，如图9-91所示。单击“OK”按钮确认。

4.定义单位

在ANSYS软件的主界面命令输入窗口中，输入“/UNIT，SI”，如图9-92所示。然后单击“Enter”键确认。

图9-91 “Preferences for GUI Filtering”对话框

图9-92 输入单位命令

5.定义单元类型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete”命令，弹出“Element Types”对话框，如图9-93所示。

2）单击“Add…”按钮，弹出“Library of Element Types”对话框，在左边的列表中选择“Solid”选项，即选择实体单元类型，然后在右边列表中选择“Brick 8node 185”单元，如图9-94所示。单击“Library of Element Types”对话框的“OK”按钮，返回“Element Types”对话框。

图9-93 “Element Types”对话框

图9-94 “Library of Element Types”对话框

3）单击“Close”按钮关闭“Element Types”对话框，结束单元类型的添加。

6.定义材料属性

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Materials Props＞Material Models”命令，弹出“DefineMaterial Model Behavior”对话框，如图9-95所示。

2）在图9-95右侧列表中选择“Structural＞Linear＞Elastic＞Isotropic”，弹出“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，在“EX”文本框中输入2.1e5，在“PRXY”文本框中输入0.3，如图9-96所示。单击“OK”按钮返回。

图9-95 “Define Material Model Behavior”对话框

图9-96 “Linear Isotropic Properties for Material Number1”对话框

3）在“Define Material Model Behavior”对话框中选择“Material＞Exit”命令，退出材料属性窗口，完成材料模型属性的定义。

7.建立分析模型

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Volumes＞Cylinder＞Partial Cylinder”命令，弹出“Partial Cylinder”对话框，在“WP X”和“WP Y”文本框中输入底面中心X、Y坐标（0，0），在“Rad-1”和“Rad-2”文本框中分别输入圆柱的内、外半径为59和100，在“Theta-1”和“Theta-2”文本框中输入圆柱截面的起止角度0和90，在“Depth”文本框中输入高度30，单击“OK”按钮创建扇形圆柱体，如图9-97所示。

图9-97 创建扇形圆柱体

2）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Volumes＞Cylinder＞Partial Cylinder”命令，弹出“Partial Cylinder”对话框，在“WP X”和“WP Y”文本框中输入底面中心X、Y坐标（0，0），在“Rad-1”和“Rad-2”文本框中分别输入圆柱的内、外半径为25和60，在“Theta-1”和“Theta-2”文本框中输入圆柱截面的起止角度为0和90，在“Depth”文本框中输入高度150，单击“OK”按钮创建扇形圆柱体，如图9-98所示。

图9-98 创建扇形圆柱体

3）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Move/Modify＞Volumes”命令，弹出实体选取对话框，选择轴实体，单击“OK”按钮，弹出“Move Volumes”对话框，在“Z-offset in active CS”文本框中输入−20，单击“OK”按钮移动Z方向位置，如图9-99所示。

图9-99 移动实体位置

8.划分网格

1）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool”命令，弹出“Mesh Tool”对话框，单击“Lines”后的“Set”按钮，弹出实体选取对话框，选择轴端两条圆弧线，单击“OK”按钮，弹出“Element Sizes on Picked Lines”对话框，在“No.of element divisions”文本框中输入15，单击“OK”按钮完成单元数量设置，如图9-100所示。

图9-100 设置单元数量

2）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool”命令，弹出“Mesh Tool”对话框，单击“Lines”后的“Set”按钮，弹出实体选取对话框，选择轴端两条径向线，单击“OK”按钮，弹出“Element Sizes on Picked Lines”对话框，在“No.of element divisions”文本框中输入4，单击“OK”按钮完成单元数量设置，如图9-101所示。

图9-101 设置单元数量

3）在网格工具中选择分网对象为“Volumes”，网格形状为“Hex/Wedge”，选择分网形式为“Sweep”，然后单击“Sweep”按钮，拾取轴体，单击“OK”按钮生成网格，如图9-102所示。

图9-102 生成扫掠网格

4）选择“Utility Menu＞Plot＞Volumes”命令，在图形区显示实体。

5）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool”命令，弹出“Mesh Tool”对话框，单击“Lines”后的“Set”按钮，弹出实体选取对话框，选择盘端两条圆弧线，单击“OK”按钮，弹出“Element Sizes on Picked Lines”对话框，在“No.of element divisions”文本框中输入12，单击“OK”按钮完成单元数量设置，如图9-103所示。

图9-103 设置单元数量

6）选择“Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool”命令，弹出“Mesh Tool”对话框，单击“Lines”后的“Set”按钮，弹出实体选取对话框，选择盘端两条径向线，单击“OK”按钮，弹出“Element Sizes on Picked Lines”对话框，在“No.of element divisions”文本框中输入6，单击“OK”按钮完成单元数量设置，如图9-104所示。

图9-104 设置单元数量

7）在网格工具中选择分网对象为“Volumes”，网格形状为“Hex/Wedge”，选择分网形式为“Sweep”，然后单击“Sweep”按钮，拾取盘体，单击“OK”按钮生成网格，如图9-105所示。

图9-105 生成扫掠网格

8）单击“Mesh Tool”对话框中的“Close”按钮关闭网格划分工具。

9.创建接触对

1）选择“Main Menu＞Modeling＞Create＞Contact Pair”命令，弹出“Contact Manager”对话框，如图9-106所示。

图9-106 “Contact Manager”对话框

2）单击按钮，弹出“Contact Wizard”对话框，指定接触目标表面为“Areas”，然后单击“Pick Target”按钮，弹出“Select Areas for Target”对话框，选择圆盘的盘心面，然后单击“OK”按钮返回，如图9-107所示。单击“Contact Wizard”对话框中的“Next”按钮进入下一步。

3）在“Contact Wizard”对话框中指定接触表面为“Areas”，然后单击“Pick Contact”按钮，弹出“Select Areas for Contact”对话框，选择轴外表面，然后单击“OK”按钮返回，如图9-108所示。单击“Contact Wizard”对话框中的“Next”按钮进入下一步。

图9-107 选择目标面

图9-108 选择接触面

4）在“Contact Wizard”对话框中勾选“Include initial penetration”选项，使分析中包括初始渗透。在“Material ID”框中选择1，在“Coefficient of Friction”文本框中输入0.2，如图9-109所示。

5）单击“Optional settings…”按钮，弹出“Contact Properties”对话框，在“Basic”选项卡中设置“Normal Penalty Stiffness”（正则处罚刚度）为0.1，如图9-110所示。然后单击“Friction”选项卡，在“Stiffness matrix”下拉列表中选择“Unsymmetric”，单击“OK”按钮完成，如图9-111所示。

6）单击“Contact Wizard”对话框中“Create”按钮，ANSYS软件根据前面的设置来创建接触对，然后弹出图9-112所示的对话框，单击“Finish”按钮关闭对话框。在ANSYS的接触管理器的接触对列表框中列出刚定义的接触对，其实常数为3。关闭接触管理器，在图形输出窗口中显示接触对，如图9-113所示。

7）选择“Utility Menu＞Plot＞Areas”命令，以面形式显示模型。(www.xing528.com)

图9-109 设置接触对属性

图9-110 “Basic”选项卡

图9-111 “Friction”选项卡

图9-112 完成接触创建信息

图9-113 定义的接触对

10.施加边界条件和载荷

1）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞Symmetry B.C.＞On Areas”命令，弹出实体选取对话框，用鼠标选择盘、轴的四个径向面后，单击“OK”按钮完成对称约束，如图9-114所示。

图9-114 在面上施加对称约束

2）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Areas”命令，弹出实体选取对话框，拾取盘的外表面，单击“OK”按钮，弹出“Apply U，ROT on Areas”对话框，在“DOFs to be constrained”列表框中选择约束类型“All DOF”，在“Displacement value”文本框中输入数值0，单击“OK”按钮完成约束，如图9-115所示。

图9-115 施加自由度约束

11.求解第一个载荷步

1）选择“Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New Analysis”命令，弹出“New Analysis”对话框，选中“Static”选项，如图9-116所示。单击“OK”按钮确认。

2）选择“Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Sol’n Controls”命令，弹出“Solution Controls”对话框，选中“Large Displacement Static”分析选项，在“Time at end of loadstep”文本框中输入100，选择“Automatic timestepping”为“Off”，如图9-117所示。单击“OK”按钮确认。

图9-116 “New Analysis”对话框

图9-117 “Solution Controls”对话框

3）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，弹出图9-118所示的求解信息窗口，其中“/STATUS Command”窗口显示所要计算模型的求解信息和载荷步信息。

4）单击“Solve Current Load Step”对话框中的“OK”按钮，程序开始求解，求解完成后弹出“Note”对话框，如图9-119所示。单击“Close”按钮关闭。

图9-118 求解信息窗口

图9-119 “Note”对话框

12.定义求解第二个载荷步

1）选择“Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Sol’n Controls”命令，弹出“Solution Controls”对话框，选中“Large Displacement Static”分析选项，在“Time at end of loadstep”文本框中输入250，选择“Automatic time stepping”为“On”，设置“Number of substeps”为150，“Max.no.of substeps”为10000，“Min no.of substeps”为10，选择“Frequency”为“Write every substep”，如图9-120所示。单击“OK”按钮确认。

图9-120 “Solution Controls”对话框

2）选择“Utility Menu＞Plot＞Areas”命令，以面形式显示模型。

3）选择“Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Areas”命令，弹出实体选取对话框，拾取轴端面，单击“OK”按钮，弹出“Apply U，ROT on Areas”对话框，在“DOFs to be constrained”列表框中选择约束类型“UZ”，在“Displacement value”文本框中输入数值50，单击“OK”按钮完成约束，如图9-121所示。

图9-121 施加自由度约束

4）选择“Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS”命令，弹出图9-122所示的信息窗口，其中“/STATUS Command”窗口显示所要计算模型的求解信息和载荷步信息。

5）打击“Solve Current Load Step”对话框中的“OK”按钮，程序开始求解，求解完成后弹出“Note”对话框，如图9-123所示。单击“Close”按钮关闭。

图9-122 求解信息窗口

图9-123 “Note”对话框

13.后处理显示结果

1）选择“Utility Menu＞PlotCtrls＞Style＞Symmetry Expansion＞Periodic/Cyclic Symmetry”命令，弹出“Periodic/Cyclic Symmetry Expansion”对话框，选择“1/4 Dihedral Sym”选项，单击“OK”按钮，将1/4模型扩转到三维整体模型，如图9-124所示。

图9-124 三维扩展模型

2）选择“Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞By Load Step”命令，弹出“Read Results by Load Step Number”对话框，保持默认设置，单击“OK”按钮，读取第一个载荷步的最后一个载荷子步的结果，如图9-125所示。

图9-125 “Read Results by Load Step Number”对话框

3）选择“Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞Nodal Solu”命令，弹出“Contour Nodal Solution Data”对话框，选中“von Mises stress”选项，如图9-126所示。

4）单击“OK”按钮显示应力等值线图，如图9-127所示。

图9-126 启动绘制应力等值线命令

图9-127 Von Mises等效应力图

5）选择“Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞By Time/Freq”命令，弹出“Read Results by Time or Frequency”对话框，在“Value of time or freq”文本框中输入120，单击“OK”按钮，读取120s时的结果，如图9-128所示。

图9-128 “Read Results by Time or Frequency”对话框

6）选择接触单元。选择“Utility Menu＞Select＞Entities”命令，弹出“Select Entities”对话框，选择拾取对象为“Elements”，拾取方式为“By ElemName”，在“Element name”文本框中输入坐标值174，单击“OK”按钮完成单元选取。单击“Plot”按钮绘制选中的接触单元，如图9-129所示。

7）选择“Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞Nodal Solu”命令，弹出“Contour Nodal Solution Data”对话框，选中“Nodal Solution＞Contact＞Contact pressure”选项，如图9-130a所示；单击“OK”按钮绘制接触