1、過渡配合與軸銷拆卸接觸,接觸問題分析,概述,問題說明 問題描述 幾何建模 定義材料特性和單元類型 生成網(wǎng)格 確定求解準(zhǔn)則 載荷步1 載荷步2 后處理,1.1問題說明,適用的ANSYS產(chǎn)品：ANSYS/Multiphysics, ANSYS/Mechanical, ANSYS/Structural, ANSYS/ED 難度等級：中等 交互操作實踐：45 to 60 minutes (包括求解 15 to 20 分鐘) 訓(xùn)練目標(biāo)：結(jié)構(gòu)分析 分析類型：非線性準(zhǔn)靜態(tài) 使用的單元類型：SOLID185, TARGE170, CONTA174 驗證的ANSYS特性：固體模型，布爾操作，對稱邊界條件，柔性面

2、間的接觸， contact wizard，自動時間步，多步載荷，軸對稱延伸，動畫，時間歷程后處理器，求解控制對話框 適用的已有幫助文件： Contact in the ANSYS Structural Analysis Guide, SOLID185, TARGE170, and CONTA174 in the ANSYS Elements Reference.,1.2問題描述,這是一個鋼軸銷與底座上的光滑銷孔接觸的三維分析。因為模型內(nèi)在的對稱性，可對該對稱模型的四分之一進行分析?？啥x兩種不同的載荷步。 第一載荷步的目的是觀察軸銷靜配合應(yīng)力，它在幾何上比銷孔大。第二載荷步的目的是觀察由于軸銷

3、從塊體中拆卸運動形成的應(yīng)力、接觸壓力和反作用力。,1.2.1給定參數(shù),模型的幾何尺寸如下： 軸銷的半徑PIN = 0.5 units, 長度 = 2.5 units. 底座寬度 = 4 units, 長度 = 4 units, 深度 = 1 unit. 銷孔半徑 = 0.49 units, 深度 = 1 unit. 兩固體均由結(jié)構(gòu)鋼制造 (剛度 = 36e6, 泊松比 = 0.3) 且假設(shè)為柔性體。,1.2.2. 方法與假設(shè),四分之一模型適于模擬接觸現(xiàn)象。這里用兩個載荷步建立分析過程： Load Step 1: 過渡配合 求解沒有附加位移約束的問題。由于其幾何特性，軸銷被約束在銷孔內(nèi)。 因為目

4、標(biāo)(pinhole) 和接觸體(pin)表面 之間的不匹配而產(chǎn)生應(yīng)力。 Load Step 2: 拆卸Pull-out 在連接的節(jié)點上用DOF位移條件將軸銷 移出塊體1.7 個單位。 明確地調(diào)用Automatic Time Stepping以產(chǎn)生收斂解。在求解過程中每10個子步讀取一次結(jié)果。,1.2.3. 步驟概述,運用問題描述中的內(nèi)容和如下的操作步驟作為指導(dǎo)，可自己求解該問題. 或者,通過選擇step 1的連接使用詳細的交互式逐步求解. 注意： 1, 為運行指南，需要至少64MB 的全部存儲工作空間，可能更高 (100-200 MB). 在開始運行指南之前, 按如下方式檢查存儲空間: 2,

5、Utility Menu List Status Configuration 3, 滾動條拉到 MEMORY STATISTICS 標(biāo)題，讀取所需要的初始工作空間的 MB 數(shù). 4, 如果該數(shù)值可滿足，則執(zhí)行指南. 如果數(shù)值太小，則不存儲改變而退出 ANSYS, 重新起動 ANSYS, 在選擇Run之前，在 ANSYS 交互式對話框中輸入全部工作空間所需要的適當(dāng)?shù)臄?shù)值.,步驟,建立幾何模型 1. 生成底座. 2. 生成目標(biāo)表面. 3. 生成軸銷. 4. 生成四分之一對稱模型. 定義材料特性和單元類型 5. 定義材料. 6. 定義固體單元類型. 生成網(wǎng)格 7. 劃分固體網(wǎng)格. 8. 為圖形顯示，

6、光順單元銳邊. 9. 用 Contact Wizard 生成接觸對. 指定求解準(zhǔn)則 10. 在四分體上施加軸對稱約束. 11. 在底座上定義邊界約束條件. 12. 指定為大位移靜態(tài)分析,（續(xù)）,Load Step 1 13. 定義過渡配合分析選擇項. 14. 求解載荷步1. Load Step 2 15. 在軸銷上設(shè)置DOF 位移. 16. 定義拆卸(pull-out)分析的選擇項. 17. 將結(jié)果寫到文件中. 18. 求解載荷步2. 后處理 19. 將四分之一對稱模型延伸到整個實體. 20. 觀察過渡配合的應(yīng)力狀態(tài). 21. 觀察軸銷上的中間接觸壓應(yīng)力. 22. 觀察拆卸后的應(yīng)力狀態(tài). 23

7、. 動畫顯示軸銷的拆卸. 24. 對軸銷的拆卸畫出反作用力. 25. 退出ANSYS程序.,1.3. 建立幾何模型 1.3.1. Step 1: 生成底座,通過指定XYZ坐標(biāo)產(chǎn)生矩形固體底座。 1, Main Menu Preprocessor -Modeling- Create -Volumes- Block By Dimensions 2 ,輸入如下： X1 = -2 X2 = 2；Y1 = -2 Y2 = 2；Z1 = 2.5 Z2 = 3.5 ； 3, OK. 4, Utility Menu PlotCtrls Pan, Zoom, Rotate 5, 點擊 ISO 按鈕. 6, Cl

8、ose.,1.3.2. Step 2: 產(chǎn)生目標(biāo)表面 (底座中的孔),通過給定半徑和深度生成圓柱體. 1, Main Menu Preprocessor -Modeling- Create -Volumes- Cylinder By Dimensions 2, 輸入如下: RAD1 = 0.49 Z1 = 2.5 Z2 = 4.5 3, OK. 從底座中減去圓柱體. 4, Main Menu Preprocessor -Modeling- Operate -Booleans- Subtract Volumes 5, 拾取底座作為從中減去的基本實體. 6, OK (在拾取菜單中). 7, 拾取圓

9、柱體作為被減去的實體 (在該步驟前一部分中產(chǎn)生). 8, OK (在拾取菜單中). 9, Utility Menu Plot Replot,1.3.3. Step 3: Create pin.,通過指定半徑和深度產(chǎn)生圓柱體. 1, Main Menu Preprocessor -Modeling- Create -Volumes- Cylinder By Dimensions 2, 輸入如下: RAD1 = 0.5 Z1 = 2 Z2 = 4.5 3, OK. 4, Utility Menu PlotCtrls Numbering 5, 打開體-Volume編號. 6, OK. 7, Util

10、ity Menu Plot Replot,1.3.4. Step 4: 生成四分之一對稱模型.,1, Utility Menu WorkPlane Display Working Plane (toggle on). 2, Utility Menu WorkPlane WP Settings 3, 選擇 Grid and Triad. 4, OK. 5, 在Y 方向上旋轉(zhuǎn)工作平面 90 并將實體分成兩部分. 6, Utility Menu WorkPlane Offset WP by Increments Slide bar to 90 for Rotation Angle. 7, 點擊一次

11、Rotate +Y direction. 8, OK.,（續(xù)）,9, Main Menu Preprocessor -Modeling- Operate -Booleans- Divide Volu by WrkPlane 10, Pick All (在拾取菜單中). 11, Utility Menu Plot Replot 12, Toolbar: SAVE_DB. 刪除體以產(chǎn)生半對稱模型。 13, Main Menu Preprocessor -Modeling- Delete Volume and Below 14, 拾取表示軸銷右側(cè)的兩個實體，和底座的右邊, 如圖所示. 15, OK

12、(in picking menu). 16, Utility Menu Plot Replot 在X平面轉(zhuǎn)動工作平面90并又將體分為兩半。 17, Utility Menu WorkPlane Offset WP by Increments 18, 點擊一次 Rotate 在+X 方向. 19, OK.,（續(xù)）,20, Main Menu Preprocessor -Modeling- Operate -Booleans- Divide Volu by WrkPlane 21, Pick All (in picking menu). 22, Utility Menu WorkPlane Dis

13、play Working Plane (toggle off). 23, Utility Menu Plot Replot 24, Toolbar: SAVE_DB. 刪除體以生成四分之一對稱模型。 25, Main Menu Preprocessor -Modeling- Delete Volume and Below 26, 拾取表示軸銷和底座上半部分的兩個實體, 如圖所示. 27, OK (in picking menu). 28, Utility Menu Plot Replot 29, Toolbar: SAVE_DB.,1.4. 定義材料特性和單元類型1.4.1. Step 5:

14、定義材料.,現(xiàn)在可以定義材料. 1, Main Menu Preprocessor Material Props Material Models 2, 雙擊 Structural, Linear, Elastic, Isotropic. 3, 輸入 36e6 for EX (Youngs modulus), and 0.3 for PRXY (Poissons ratio). 4, OK. 5, Material Exit,1.4.2. Step 6: 定義單元類型,現(xiàn)在可以定義單元類型 1, Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delet

15、e 2, 加入一種單元類型-Add 3, 選擇 Structural Solid 單元族 4, 選擇 Brick8 node 185 (SOLID185). 5, OK 以應(yīng)用該單元。 6, 關(guān)閉單元類型對話框。,1.5. Generate Mesh1.5.1. Step 7: Mesh solid volume,1, Main Menu Preprocessor MeshTool 2, 選擇Size Controls: Lines Set. 3, 拾取軸銷前面邊緣的水平和垂直線. 4, OK (在拾取菜單). 5, 在單元分割數(shù)中輸入 3, 并對SIZE指定 No ,NDIV 可能被改變.

16、6, OK.,（續(xù)）,7, 選擇 Size Controls: Lines Set. 8, 拾取在底座前面的曲線. 9, OK (in picking menu). 10, 在單元分割數(shù)中輸入 4. 11, OK. 12, 選擇 Volume 網(wǎng)格. 13, 點擊 Hex. 14,點擊Sweep. 15,點擊Sweep 按鈕. 16, 拾取軸銷和底座實體. 17, OK (in the picking menu). 關(guān)閉出現(xiàn)的任何警告信息. 18, 關(guān)閉 Meshtool.,1.5.2. Step 8: 為圖形顯示光滑單元邊部Smooth element edges,1, Utility Me

17、nu PlotCtrls Style Size and Shape 2, Choose 2 facets/edge. 3, OK.,1.5.3. Step 9: 用Contact Wizard 生成接觸對,1, Main Menu Preprocessor -Modeling- Create Contact Pair Contact Wizard 2, 選擇 Areas. 3,選擇Flexible. 4,選擇Pick Target. 5, 拾取軸銷孔的表面作為目標(biāo)(target). 6, OK (in picking menu). 7, 選擇 Next.,（續(xù)）,8, 選擇 Areas. 9,

18、選擇Pick Contact. 10, 拾取軸銷的表層面作為主動接觸面. 11, OK (in picking menu). 12, 選擇 Next.,（續(xù)）,13, 對Material ID 輸入 1. 14, Coefficient Friction輸入 0.2. 15, 選擇 Include Initial Penetration. 16, 選擇 Optional settings. 17, 對Normal penalty stiffness 輸入 0.1. 18, 選擇 the Friction tab. 19, 選擇 Unsymmetric for Stiffness matrix.

19、 20, OK.,（續(xù)）,21, 選擇 Create. 22, 選擇 Finish. 23, Main Menu Preprocessor -Modeling- Create Contact Pair View and Edit 24, 選擇 Contact pair. 25, 選擇 normals shown. 26, 選擇 Display. 27, Make other viewing choices as desired with each followed by Display. 28, 當(dāng)已作完后選擇 Close. 29, Utility Menu Plot Areas 30, To

20、olbar: SAVE_DB.,1.6. 指定求解準(zhǔn)則 1.6.1. Step 10: 在四分之一體上施加對稱約束,1, Main Menu Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement -Symmetry B. C.- On Areas 2, 當(dāng)初始模型四分后，拾取所暴露出的四個內(nèi)部表面. 3, OK (in picking menu).,1.6.2. Step 11: 定義底座上的邊界約束,1, Main Menu Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Areas 2, 拾

21、取底座的左邊. 3, OK (in the picking menu). 4, 對將被約束的 DOFs 選擇All DOF. 5, 對 Displacement value輸入 0. 6, OK 去施加約束.,1.6.3. Step 12: 指定大位移靜態(tài)分析,在該步中, 可指定分析選項位靜態(tài)分析，其中包括大變形效應(yīng). 為此, 將使用 Solution Controls 對話框, 一個控制面板用于調(diào)整對結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析和全瞬態(tài)分析最常用的設(shè)置. 它由5個標(biāo)號的 “pages,” 每一個含有一組相關(guān)的求解控制. 可再用該指南中的Solution Controls 對話框, 去指定每一載荷步的選項.

22、1, Main Menu Solution -Analysis Type- Soln Control 2, 在 Analysis 選擇項下，選擇大位移靜態(tài) Large Displacement Static.,1.7. Load Step 1 1.7.1. Step 13: 定義過渡配合分析選擇項,注意對這兩個載荷步, 將自動施加傾斜(ramped) 載荷以代替分布載荷. 當(dāng)SOLCONTROL 命令為 ON (這里所說的，也是缺省值)，對靜態(tài)分析這是缺省條件. 1, 載荷步終了時間輸入 100. 2, 關(guān)閉Automatic time stepping . 3, 再Number of sub

23、steps 輸入1. 4, OK 去施加設(shè)置并關(guān)閉對話框. 5, Toolbar: SAVE_DB.,1.7.2. Step 14: Solve load step 1.,1, Main Menu Solution -Solve- Current LS 2, 回顧狀態(tài)窗口中的信息，然后選擇：File Close (Windows),orClose (X11/Motif), 以關(guān)閉窗口. 3, OK 進行求解. 如果證實窗口出現(xiàn)，選擇 Yes, 忽略任何警告信息，但還不能關(guān)閉警告信息窗口. 4, 當(dāng)求解結(jié)束后，關(guān)閉信息窗口. 5, Utility Menu Plot Replot,1.8. Lo

24、ad Step 21.8.1. Step 15: 為銷軸設(shè)定 DOF 位移,現(xiàn)在可施加位移值(displacement value) 1.7 到軸銷前面的所有節(jié)點以觀察軸銷從底座終拉出的效果. 1, Utility Menu Select Entities 2, 選擇 Nodes. 3, 選擇 By Location. 4, 選擇 Z coordinates. 5, 在 Min, Max下輸入4.5. 6, OK. 7, Main Menu Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Nodes 8, Pick all (in pic

25、king menu). 9, 對被約束的DOFs選擇 UZ. 10, 對displacement value 1.7 . 11, OK.,1.8.2. Step 16: Define pull-out analysis options,1, Main Menu Solution -Analysis Type- Soln Control 2, 對Time at end of loadstep 輸入 200. 3, 打開Automatic time stepping . 4, 對 Number of substeps 輸入100 . 5, 對Max no. of substeps 輸入10000

26、. 6, 對Min no. of substeps輸入10.,1.8.3. Step 17: 將結(jié)果寫入文件,1, 對 Frequency, 選擇 Write every Nth substep. 2, 對 where N = 輸入-10. 3, OK 去施加設(shè)置并關(guān)閉對話框. 4, Utility Menu Select Everything 5, Toolbar: SAVE_DB.,1.8.4. Step 18: Solve load step 2,當(dāng)求解第二載荷步時，ANSYS 可產(chǎn)生幾個警告信息. 它們將突現(xiàn)在黃色窗口及輸出窗口中, 當(dāng)其不會阻礙求解過程的進行. 然而, 你應(yīng)知道在缺省

27、狀態(tài)下, ANSYS 僅在黃色窗口中顯示最初的 5 個警告信息. 如果產(chǎn)生更多的警告信息, 如在本在本載荷步中的情況, 它們將不顯示在黃色窗口中, 也不將 “Solution is Done!” 信息顯示在黃色窗口中. 對本問題，為確保 “Solution is Done!” 信息出現(xiàn)在突現(xiàn)的黃色窗口中, 強烈推薦你改變控制信息號從5到100的設(shè)置. 為此, 在輸入窗口中輸入如下, 然后按下 Enter key: /NERR,100,100,OFF 在求解過程中，如果遇到錯誤，這些也可保證 ANSYS 不產(chǎn)生異常中斷.,（續(xù)）,可進行以下步驟以獲得最終解. 1, Main Menu Solut

28、ion -Solve- Current LS 2, 觀察狀態(tài)窗口中的信息。然后選擇: File Close (Windows),orClose (X11/Motif), to close the window. 3, OK 開始求解. 忽略任何警告信息, 但還不要關(guān)閉警告窗口. 注意求解將用大約15分鐘. 4, 當(dāng)求解結(jié)束Close信息窗口。,1.9. Postprocessing 1.9.1. Step 19: 將四分之一對稱模型擴展到整個體積,1, Utility Menu PlotCtrls Style Symmetry Expansion Periodic/Cyclic Symmetr

29、y 2, 選擇 1/4 Dihedral Sym. 3, OK. 4, Utility Menu Plot Elements 5, Toolbar: SAVE_DB.,1.9.2. Step 20: Observe interference fit stress state,1, Main Menu General Postproc -Read Results- By Load Step 2, 對 Load step number輸入1. 3, OK. 4, Main Menu General Postproc Plot Results -Contour Plot- Nodal Solu 5,

30、 選擇應(yīng)力作為等高線項. 6, 滾動條下拉并選擇 von Mises (SEQV). 7, OK.,1.9.3. Step 21: 觀察在軸銷上的中間接觸壓力,1, Main Menu General Postproc -Read Results- By Time/Freq 2, 對 value of time or freq輸入120. 3, OK. 4, Utility Menu Select Entities 5, 選擇 Elements. 6, 選擇By Elem. Name. 7, 對 Element name輸入174. 8, OK. 9, Utility Menu Plot El

31、ements,（續(xù)）,10, Main Menu General Postproc Plot Results -Contour Plot- Nodal Solu 11, 選擇 Contact. 12, 選擇 Pressure. 13, OK.,1.9.4. Step 22: Observe pulled-out stress state,1, Utility Menu Select Everything 2, Main Menu General Postproc -Read Results- By Load Step 3, 對 Load step number 輸入2. 4, OK. 5, M

32、ain Menu General Postproc Plot Results -Contour Plot- Nodal Solu 6, 選擇Stress 作為等高線項. 7, 滾動條下拉，并選擇von Mises (SEQV). 8, OK.,1.9.5. Step 23: 軸銷拆卸動畫,1, Utility Menu Plot Ctrls Animate Over Results 2, 對 Model result data 選擇 Load Step Range. 3, Include last substep for each load step. 4, 打開Auto contour sc

33、aling. 5, 選擇 Stress 作為等高線動畫. 6, 滾動條下拉，選擇 von Mises (SEQV). 7, OK. 8, 如果必要，在Animation Controller (沒有顯示)作出選擇，然后選擇 Close.,1.9.6. Step 24: Plot reaction forces for pin pull-out,1, Utility Menu List Nodes 2, OK in the dialog box that follows. 3, 注意所有的節(jié)點號的 z 坐標(biāo)是 4.5. 自己計算時的節(jié)點數(shù)可能與這里所顯示的不同. 4, 選擇 File Close (Windows), 或選擇 (X11/Motif), 關(guān)閉窗口. 5, Utility Menu P