某型U形支架螺栓预紧非线性接触分析

时间：2023-11-19 理论教育版权反馈

【摘要】：螺栓预紧力与支架之间的摩擦系数为0.15，工作时预调紧0.1mm，其他相关参数在分析过程中体现。试求在预调紧时U形支架的最大应力与变形，以及螺母处接触状态及应力。为几何模型分配材料属性材料默认为结构钢。图5-33 摩擦接触设置图5-34 螺母接触设置图5-35 设

某型U形支架螺栓预紧非线性接触分析

1.问题描述

某型U形支架材料为结构钢。螺栓预紧力与支架之间的摩擦系数为0.15，工作时预调紧0.1mm，其他相关参数在分析过程中体现。试求在预调紧时U形支架的最大应力与变形，以及螺母处接触状态及应力。

2.有限元分析过程

（1）启动Workbench 18.0 在“开始”菜单中执行ANSYS 18.0→Workbench 18.0命令。

（2）创建结构静力分析项目

①在工具箱【Toolbox】的【Analysis Systems】中双击或拖动结构静力分析项目【Static Struc-tural】到项目分析流程图，如图5-29所示。

②在Workbench的工具栏中单击【Save】，保存项目工程名为Bracket.wbpj。有限元分析文件保存在D：\AWB\Chapter05文件夹中。

（3）导入几何模型在结构静力分析项目上，用右键单击【Geometry】→【Import Geometry】→【Browse】→找到模型文件Bracket.agdb，打开导入几何模型。模型文件在D：\AWB\Chapter05文件夹中。

（4）进入Mechanical分析环境

①在结构静力分析项目上，右键单击【Model】→【Edit】进入Mechanical分析环境。

②在Mechanical的主菜单【Units】中设置单位为Metric（mm，kg，N，s，mV，mA）。

（5）为几何模型分配材料属性材料默认为结构钢。

图5-29 创建结构静力分析项目

（6）接触设置

①导航树上用右键单击【Connections】→【Rename Based On Definition】，重新命名目标面与接触面。

②右键单击接触对【Bonded U To Bolt】→【Duplicate】，复制并创建新接触对。

③设置螺栓帽与U形支架表面的接触，在标准工具栏上单击，单击【Bonded U To Bolt】→【Details of“Bonded U To Bolt”】→【Scope】→【Contact】：单击3Faces，在空白处单击取消预选择3个面，单击选择U形支架侧面，然后单击【Apply】确定，如图5-30所示；【Target】：隐藏整个U形支架，单击【2Faces】，在空白处单击取消预选择2个面，单击选择U形支架对应的螺栓冒面，然后单击【Apply】确定，如图5-31所示；然后继续设置【Definition】→【Type】=Frictional，【Frictional Coefficient】=0.15，【Behavior】=Symmetric；【Advanced】→【Formulation】=Augmented Lagrange，【Detection Method】=On Gauss Point，【Geometric Modifi-cation】→【Interface Treatment】=Add Offset，Ramped Effects，其他默认，如图5-32所示。

图5-30 设置摩擦接触面

图5-31 设置摩擦接触目标面

图5-32 摩擦接触设置

④设置螺母与U形支架表面的接触，单击【Bonded U To Nut】→【Details of“Bonded U To Nut”】→【Definition】→【Type】=Frictional，【Frictional Coefficient】=0.15，【Behav-ior】=Symmetric；【Advanced】→【Formulation】=Augmented Lagrange，【Detection Method】=On Gauss Point，【Geometric Modification】→【Interface Treatment】=Add Offset，Ramped Effects，其他默认，如图5-33所示。

⑤设置螺栓柱与螺母的接触，单击【Bonded Bolt To Nut】→【Details of“Bonded Bolt To Nut”】→【Definition】→【Behavior】=Symmetric；【Advanced】→【Formulation】=Pure Penalty，【Detection Method】=On Gauss Point，其他默认，如图5-34所示。

⑥设置螺栓柱与U形支架的接触，在标准工具栏上单击，单击【Bonded U To Bolt】→【Details of“Bonded U To Bolt”】→【Scope】→【Contact】：隐藏螺栓柱，单击3Faces，在空白处单击取消预选择3个面，单击选择U形支架两侧面孔，然后单击【Apply】确定，如图5-35所示；【Target】：显示整个螺栓柱，单击2Faces，在空白处单击取消预选择2个面，单击选择螺栓柱表面，然后单击【Apply】确定，如图5-36所示；单击【Bonded U To Bolt】→【Details of“Bonded U To Bolt”】→【Definition】→【Type】=Frictionless，【Behav-ior】=Symmetric；【Advanced】→【Formulation】=Augmented Lagrange，【Detection Method】=On Gauss Point；【Geometric Modification】→【Interface Treatment】=Add Offset，No Ramping，其他默认，如图5-37所示。

（7）划分网格

①在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Defaults】→【Physics Preference】=Mechanical，【Relevance】=80；【Sizing】→【Size Function】=Curvature，【RelevanceCenter】=Medium，【Quality】→【Smoothing】=High；其他默认。

图5-33 摩擦接触设置

图5-34 螺母接触设置

图5-35 设置无摩擦接触面

图5-36 设置无摩擦接触目标面

图5-37 无摩擦接触设置

②在标准工具栏上单击，选择螺栓柱，然后在导航树上右键单击【Mesh】，从弹出的菜单中选择【Insert】→【Method】→【Details of“Automatic Mesh”】→【Definition】→【Method】→【MultiZone】。

③在标准工具栏上单击，选择U形支架，然后在导航树上用右键单击【Mesh】，从弹出的菜单中选择【Insert】→【Method】→【Details of“Automatic Mesh”】→【Definition】→【Meth-od】→【Hex Dominant】。

④在标准工具栏上单击，选择螺母侧面，然后用右键单击【Mesh】→【Insert】→【Face Meshing】，如图5-38所示。

⑤在标准工具栏上单击，选择螺栓柱螺帽侧面，然后右键单击【Mesh】→【Insert】→【Face Meshing】，如图5-39所示。

⑥生成网格，右键单击【Mesh】→【Generate Mesh】，图形区域显示程序生成的单元网格模型，如图5-40所示。

图5-38 选择螺母侧面

图5-39 选择螺栓柱螺帽侧面

⑦网格质量检查，在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Quality】→【Mesh Metric】=Skewness，显示Skewness规则下网格质量详细信息，平均值处在好水平范围内，展开【Statistics】显示网格和节点数量。(www.xing528.com)

（8）接触初始状态检测

①在导航树上，右键单击【Connections】→【In-sert】→【Contact Tool】。

②右键单击【Contact Tool】，从弹出的快捷菜单中选择【Generate Initial Contact Results】，经过初始运算，得到初始接触信息，如图5-41所示。注意图示接触状态值是按照网格设置后的状态，也可网格不先设置，查看接触初始状态。

图5-40 划分网格

图5-41 接触初始状态检测

（9）施加边界条件

①单击【Static Structural（A5）】。

②求解方法设置，单击【Analysis Settings】→【Details of“Analysis Settings”】→【Solver Controls】→【Solver Type】=Direct，其他默认。

③施加预紧力，在标准工具栏上单击选择螺栓柱面，接着在环境工具栏单击【Loads】→【Blot Pretension】→【Details of“Blot Pretension”】→【Definition】→【Define By】=Adjustment，【Preadjustment】=0.1mm，如图5-42所示。