V孔軸模型過盈配合的有限元模型分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u1804孔軸模型過盈配合的有限元模型分析案例 1172421.1接觸問題概述 198101.2LS-DYNA有限元分析軟件介紹 2298731.3孔軸模型的建立 299681.3.1孔軸模型的建立及網(wǎng)格劃分 2283051.3.2過盈量設(shè)置 564631.3.3材料參數(shù)設(shè)置 5323691.3.4約束條件及加載條件 585391.3.5接觸設(shè)置 5313751.3.6后處理 6155661.3.7有限元分析基本流程與單位制選擇 61.1接觸問題概述接觸問題包括摩擦過程的接觸和碰撞兩類問題。在孔軸壓力裝配過程中，存在接觸的不可預(yù)測性等很多因素造成實(shí)際受力分析結(jié)果為非線性的。在初始壓入階段，軸從未接觸狀態(tài)到接觸狀態(tài)，接觸剛開始的應(yīng)力集中現(xiàn)象可能大于材料的屈服應(yīng)力，使得接觸界面的受力包括彈塑性的變化；在壓入過程中，由于接觸面積的不斷變化，接觸面的不斷增加，在接觸過程中造成的壓力變形，接觸壓力分布不均；摩擦過程中接觸面的變形導(dǎo)致接觸面積的變化，接軸在壓入過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)等一系列問題都是導(dǎo)致非線性存在的原因。有限元分析軟件對于接觸、碰撞等非線性有很大作用，通過有限元軟件進(jìn)行模型建立以及求解，可得模型的近似解。歸根結(jié)底，接觸界面的非線性主要影響因素：接觸的不確定。即在不同時(shí)刻對應(yīng)發(fā)生接觸的零件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于前一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)是否使材料已將發(fā)生形變，只有在接觸求解時(shí)刻才能確定接觸的實(shí)際狀況。接觸的非線性。接觸過程中物體接觸界面相互作用，由于過盈量的引入，材料性質(zhì)改變等影響，對于接觸判斷與計(jì)算都比較復(fù)雜。由于以上原因，使得對于接觸過程需要對每一時(shí)間步長進(jìn)行接觸檢測。接觸問題的求解一般采用試探-校驗(yàn)的迭代方法進(jìn)行求解[28]。具體步驟如下：根據(jù)初始條件，剛度矩陣等計(jì)算出的迭代的結(jié)果和此時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，檢查此刻的接觸狀態(tài)，建立新的接觸關(guān)系。在該時(shí)刻判斷接觸類型，對發(fā)生接觸的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)方程的求解。如果接觸結(jié)果滿足校驗(yàn)條件，則完成本次求解并加載下一時(shí)間步長進(jìn)行計(jì)算，直到接觸界面的求解都滿足校驗(yàn)要求，依次循環(huán)直到達(dá)到設(shè)定的時(shí)間，結(jié)束并輸出最終結(jié)果。如果不滿足條件，則結(jié)果可能發(fā)生不收斂情況，停止求解，輸出結(jié)果報(bào)錯(cuò)。1.2LS-DYNA有限元分析軟件介紹LS-DYNA應(yīng)用范圍廣泛，它是一款有限元力學(xué)分析軟件，能夠生產(chǎn)過程中各種復(fù)雜的力學(xué)問題，在航空航天、汽車、機(jī)械制造、建筑、材料等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。LS-DYNA軟件對非線性問題處理方面有很大的優(yōu)勢，它的算法有Lagrangian算法、ALE算法和Euler算法。LS-DYNA在非線性動(dòng)力學(xué)有很大的優(yōu)勢，可以模擬靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真，同時(shí)包括顯示分析和隱式分析[29]。LS-DYNA軟件自帶前處理器，求解器，后處理器三部分組成。在前處理界面有不同類型的關(guān)鍵字，不僅可以對實(shí)際模型進(jìn)行建立與網(wǎng)格劃分，同時(shí)可以對模型進(jìn)行材料，約束等關(guān)鍵字進(jìn)行條件設(shè)置。分析計(jì)算可按照設(shè)置情況進(jìn)行求解計(jì)算。計(jì)算結(jié)果通過后處理界面顯示，可觀察孔軸模型在壓入過程的應(yīng)力應(yīng)變情況，觀察不同時(shí)間對應(yīng)壓入力的大小以曲線方式顯示出來。1.3孔軸模型的建立1.3.1孔軸模型的建立及網(wǎng)格劃分對于有限元的仿真，求解的精準(zhǔn)在于模型的建立，網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置。根據(jù)主從面一般的定義原則：將孔定義為主面，軸定義為從面，將孔的網(wǎng)格密度劃分進(jìn)行加密，軸的網(wǎng)格密度劃分稀疏。在LS-PREPOST界面通過blockM關(guān)鍵字進(jìn)行孔和軸模型的建立，進(jìn)行處理并劃分好網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接決定求解的準(zhǔn)確性與收斂性，網(wǎng)格密度過密，使求解時(shí)間加長；網(wǎng)格稀疏，求解速度提高，求解準(zhǔn)確度不高。網(wǎng)格劃分越亂，單元種類越多，會(huì)對求解造成影響，使求解不收斂，直接導(dǎo)致計(jì)算失敗。合適的網(wǎng)格密度對于求解問題很重要。具體模型建立過程如下：如圖3-1中為BlockM關(guān)鍵字設(shè)定界面。在Indexlist和positionlist中進(jìn)行模型初始化建立，Index設(shè)定的參數(shù)間距決定網(wǎng)格的密度，position設(shè)定的參數(shù)決定實(shí)物模型大小。position中的間距差是實(shí)際模型的長度，對應(yīng)Index中的間距差為實(shí)際間距劃分的網(wǎng)格格數(shù)。圖3-1computationwindow窗口經(jīng)過多次仿真與模型建立，為了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性以及高效性，對孔模型選擇網(wǎng)格間距為30，軸模型選擇間距為20，軸模型使用蝴蝶形網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量比較高。通過BlockM界面中的computationwindow進(jìn)行初始模型的切割位置，在Del選項(xiàng)中實(shí)現(xiàn)切割，在computationwindow窗口選中所需投影表面，在Project選項(xiàng)中進(jìn)行投影，最終通過投影形成所需模型。這里的投影是通過選中模型的面對外部添加的圓柱面，球面等進(jìn)行貼合，將模型的表面映射成圓柱面或球面。從模型面到投影面的網(wǎng)格劃分由computationwindow界面中的索引間距決定。投影結(jié)果如圖3-2所示。圖3-2投影圖當(dāng)直接將軸壓入孔中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，使接觸端口出現(xiàn)過大變形且壓入力急劇增大?？纵S模型對于倒角的建立是有必要的。同理，利用投影原理對孔軸模型進(jìn)行倒角的建立。投影前需通過計(jì)算引入倒角度數(shù)的半徑確定投影圓柱面的半徑，把模型邊緣線進(jìn)行投影即可得到所需倒角?？纵S模型的倒角投影完成后的圖3-3和圖3-4。圖3-3孔倒角圖圖3-4軸倒角圖經(jīng)過切割，投影等操作最終生成孔軸模型總固體單元個(gè)數(shù)173600，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為252738。單元屬性為SOLID（恒應(yīng)力固體單元），孔軸模型如下圖3-5。圖3-5孔軸模型圖1.3.2過盈量設(shè)置過盈量設(shè)置:在仿真模型中，在建立孔軸模型時(shí)直接加入過盈量，設(shè)定孔的直徑為49.883mm，軸的內(nèi)徑為50.0157mm，過盈量為0.1327mm。1.3.3材料參數(shù)設(shè)置材料屬性：在LS-DYNA中材料選項(xiàng)卡中選擇24號片段線性材料即：*MAT-PIECEWISE-LINEAR-PLASTICITY，在卡片中設(shè)置材料的編號MID、彈性模量、密度、泊松比，設(shè)定完成后在對應(yīng)的part零件上選擇定義材料的編號。仿真中設(shè)置材料為鋁合金6061，在對應(yīng)關(guān)鍵字卡片中輸入相關(guān)參數(shù)，為后續(xù)模型設(shè)置做基礎(chǔ)。1.3.4約束條件及加載條件邊界條件：在軟件中對孔一側(cè)端面所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，禁止孔模型在壓入過程中位移或旋轉(zhuǎn)。使用*BOUNDARY-SPC-SET將孔的一側(cè)端面完全固定。位移加載條件：使用*BOUNDARY-PRESCRIBED-MOTION-SET對軸的一端所有節(jié)點(diǎn)施加位移約束，讓軸以固定速度壓入孔中。1.3.5接觸設(shè)置在仿真中采用自動(dòng)面面接觸方式。面面接觸采用的關(guān)鍵字為CONTACT-AUTOMATIC-SURFACE-TO-SURFACE。設(shè)置靜摩擦力FS=0.07，動(dòng)摩擦系數(shù)FD=0.04。在LS-DYNA中算法包含動(dòng)力約束法、分配參數(shù)法、罰函數(shù)法三種方法。在孔軸零件壓裝過程中采用接觸算法為罰函數(shù)法。罰函數(shù)像彈簧一樣，正常情況下未被壓縮時(shí)，處于初始狀態(tài)，且受力為0；當(dāng)被壓縮時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的力使壓下去的壓縮量回到最初位置。在軸壓入孔的過程中，設(shè)置每一時(shí)間步長結(jié)束，對軸定義的網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)去接觸搜尋主接觸面的網(wǎng)格單元，然后根據(jù)給定接觸條件判斷接觸的狀態(tài)，若軸的節(jié)點(diǎn)穿透接觸界面時(shí)，罰函數(shù)會(huì)施加法向力作用在從節(jié)點(diǎn)，使孔軸始終在表面進(jìn)行接觸[30]。1.3.6后處理后處理操作：在*DATABASE關(guān)鍵字設(shè)置BINRY-D3PLOT動(dòng)畫，可查看軸在壓入過程中接觸界面的應(yīng)力應(yīng)變等變化，在ASCII-option中設(shè)置RCFORC卡片，用于對壓裝過程中接觸界面摩擦力進(jìn)行顯示。1.3.7有限元分析基本流程與單位制選擇對于實(shí)現(xiàn)一個(gè)模型的有限元仿真，其步驟是：首先建立有限元模型，然后在LS-PREPOST界面進(jìn)行孔軸模型的材料屬性、邊界加載、接觸等條件的設(shè)置，最終在LS-DYNA軟件上進(jìn)行求解，求解完成在將求解文件在LS-PREPOST顯示結(jié)果。通過前面知道接觸問題的特性，對于有限元仿真具體在進(jìn)行處理接觸問題的原理如下，簡要流程圖如圖3-