有限元分析与ANSYS实践第8章课件.ppt

1、第8章 接触结构有限元法分析 一台机器或部件由若干个零件构成，许多零件通过装配才能组一台机器或部件由若干个零件构成，许多零件通过装配才能组成一台机器或部件，机器或部件是装配体，必定有接触结构。如图成一台机器或部件，机器或部件是装配体，必定有接触结构。如图8-1a8-1a）所示，汽车制动器由制动盘、制动钳、制动块、活塞等零部）所示，汽车制动器由制动盘、制动钳、制动块、活塞等零部件构成，工作原理是活塞在液压作用下将两制动块压紧制动盘，产件构成，工作原理是活塞在液压作用下将两制动块压紧制动盘，产生摩擦力矩而制动，即制动块与制动盘接触实现摩擦制动。如图生摩擦力矩而制动，即制动块与制动盘接触实现摩擦制动

2、。如图8-1 8-1 b b）所示，减速器由主动轴系、从动轴系、箱体、箱盖等零件构成，）所示，减速器由主动轴系、从动轴系、箱体、箱盖等零件构成，主动齿轮轴系的转动，通过两齿轮轮齿的接触传给从动齿轮轴系。主动齿轮轴系的转动，通过两齿轮轮齿的接触传给从动齿轮轴系。本章我们以此类接触结构为研究对象，进行有限元分析。本章我们以此类接触结构为研究对象，进行有限元分析。图8-1 接触结构实例 我们知道，进行我们知道，进行ANSYSANSYS分析的模型既可分析的模型既可以从其他三维软件（以从其他三维软件（SolidWorksSolidWorks，UGUG，Pro/EPro/E等）导入，又可以在等）导入，又可

3、以在ANSYSANSYS软件中直接软件中直接建立。其他三维软件可以通过配合建立装配建立。其他三维软件可以通过配合建立装配关系，关系，ANSYSANSYS软件可以建立多个看似接触的软件可以建立多个看似接触的体，但这种装配关系和看似接触的结构都不体，但这种装配关系和看似接触的结构都不能直接传递力和力矩。若要计算装配体中接能直接传递力和力矩。若要计算装配体中接触结构的受力，或通过接触关系传递力，只触结构的受力，或通过接触关系传递力，只能利用能利用ANSYSANSYS建立接触单元。建立接触单元。如计算图如计算图8-1 b8-1 b）两个齿轮的接触应力，必须建立两个齿轮）两个齿轮的接触应力，必须建立两个

4、齿轮的接触关系，或计算图的接触关系，或计算图8-1 a8-1 a）制动盘的应力，必须对制动块施）制动盘的应力，必须对制动块施加载荷，通过制动盘与制动块之间的接触关系，将载荷传递给加载荷，通过制动盘与制动块之间的接触关系，将载荷传递给制动盘。接触分析除适用于零件装配外，还可以用来模拟动力制动盘。接触分析除适用于零件装配外，还可以用来模拟动力冲击、板成形、螺栓连接、紧配合、纯压缩边界条件等。冲击、板成形、螺栓连接、紧配合、纯压缩边界条件等。图8-1 接触结构实例 接触结构有限元法分析是在模型的接触面上建立一层接触接触结构有限元法分析是在模型的接触面上建立一层接触单元，通过建立目标面和接触面组成一个

5、接触对，解决接触问单元，通过建立目标面和接触面组成一个接触对，解决接触问题。它是一种高度非线性行为，接触过程在力学中可能会涉及题。它是一种高度非线性行为，接触过程在力学中可能会涉及到多种非线性因素，除大变形接触问题引起的材料非线性和几到多种非线性因素，除大变形接触问题引起的材料非线性和几何非线性以外，还有接触界面间摩擦条件的非线性等。何非线性以外，还有接触界面间摩擦条件的非线性等。ANSYS ANSYS支持三种接触方式：点支持三种接触方式：点点，点点，点面，面面，面面，每面，每种接触方式都有其适用范围。种接触方式都有其适用范围。点点点接触主要用于模拟点点接触主要用于模拟点点的接触行为，及多个点

6、点的接触行为，及多个点点的表面接触行为，适用于相同网格的接触面之间有较小点的表面接触行为，适用于相同网格的接触面之间有较小相对滑动或转动的情况，如图相对滑动或转动的情况，如图8-2a8-2a）所示地基和土壤的接触。）所示地基和土壤的接触。点点面接触主要用于点面接触主要用于点面的接触行为，及多个点面的接触行为，及多个点面的表面的表面接触行为，适用于线面或接触面之间有较大相对滑动、大面接触行为，适用于线面或接触面之间有较大相对滑动、大应变或大转动的情况，如图应变或大转动的情况，如图8-2b8-2b）所示棱边与面的接触。）所示棱边与面的接触。面面面面接触主要用于模拟接触主要用于模拟面面面面接触行为，

7、适用于接触面之间接触行为，适用于接触面之间有较大相对滑动、大应变或大转动的情况，如图有较大相对滑动、大应变或大转动的情况，如图8-2c8-2c）所示）所示金属成型的轧制过程。金属成型的轧制过程。图8-2 接触方式 接触问题分为两种基本类型：刚体接触问题分为两种基本类型：刚体柔体和柔体柔体和柔体柔柔体接触。刚体体接触。刚体柔体接触的两物体刚度相差较大，如一种柔体接触的两物体刚度相差较大，如一种软材料和一种硬材料接触；柔体软材料和一种硬材料接触；柔体柔体接触的两物体有近柔体接触的两物体有近似的刚度，是一种更普遍的接触。接触的两种类型适用于似的刚度，是一种更普遍的接触。接触的两种类型适用于每个接触方

8、式。每个接触方式。本章介绍接触结构有限元法分析的一般原理，且以组本章介绍接触结构有限元法分析的一般原理，且以组合圆筒为例讲述合圆筒为例讲述ANSYSANSYS分析基本步骤和分析基本步骤和面面面面接触方式、柔接触方式、柔体体柔体接触类型的选择。柔体接触类型的选择。8.1 接触结构有限元法分析一般原理8.2 组合圆筒的ANSYS分析8.3 接触结构有限元法分析和ANSYS分析的一般步骤 本节从接触结构的基本概念和有限元分析基本思想入手，讲述接触结构有限元法分析的一般原理。对于无滑动摩擦的接触问题，先假定接触状态，建立有限元求解的支配方程，求出接触面的位移和接触力，检验接触条件是否与原来假定的接触状

9、态相符，若与假定的接触状态不符，则重新假定接触状态，迭代计算直至得到的接触状态与假定状态一致为止。对于具有滑动摩擦的接触问题，由于接触过程的不可逆，需要采用增量方式加载。8.1 接触结构有限元法分析一般原理8.1.1 8.1.1 接触结构的基本概念接触结构的基本概念1.基本假定假定接触物体的材料是线弹性的，位移和变形是微小的，作用在接触面上的摩擦力服从mohr-Coulomb准则，接触面连续平滑。2.接触条件和接触状态接触条件是指接触面上接触点处的位移和力的条件。利用接触条件，可以判断接触物体之间的接触状态。接触状态可分为三类：连续接触，滑动接触和自由边界。为了更方便地表示接触条件，需要在接触

10、面上建立局部坐标系 。由于一般情况下，A、B两个物体在接触点处无公共切面和公共法线，因此，局部坐标系的 轴只能尽可能地接近公法线方向，平面尽可能地接近公切面。zyxozyxo8.1.2接触结构有限元法分析的基本思想接触结构有限元法分析的基本思想 接触结构有限元法分析的基本思想是首先假定接触状态，根据假定的接触状态建立有限元求解的支配方程，求出接触面的位移和接触力，检验接触条件是否与原来假定的接触状态相符，若与假定的接触状态不符，则重新假定接触状态，直至迭代计算得到的接触状态与假定状态一致为止。2022-8-3材料力学材料力学研究对象是梁、钢架等，长度远远大于高度和宽度的材料，研究材料的拉伸、压

11、缩、剪切、弯曲。8.1.3 8.1.3 弹性接触问题有限元基本方程和柔度法求解弹性接触问题有限元基本方程和柔度法求解1.对于无滑动摩擦的接触问题如图8-3所示，假设A、B是相互接触的两个物体，为了研究的方便，将它们分开，代之以接触力 ，如图8-4所示。图8-4 两接触物体的受力8.2 组合圆筒的ANSYS分析例8-1 如图8-5所示，由两个钢制厚壁圆筒构成的组合圆筒，内筒半径为r1=0.1m,r2=0.1505m,外筒半径为r3=0.1495m,r4=0.2m,两筒长度h=0.3m,承受内压P=10MPa，已知材料的弹性模量EX=21011Pa，泊松比PRXY=0.3，试分析组合圆筒的应力分布

12、情况。图8-5 组合圆筒解：1.初始设置（1）设置工作路径拾取常用菜单Utility Menu File Change Directory,在弹出的Change Working Directory对话框中，键入用户的文件保存路径，单击OK按钮，如图8-6所示。图8-6设置工作路径（2）设置工作文件名图8-7设置工作文件名（3）设置工作标题图8-8 设置标题名（4）设定分析模块图8-9 设定分析模块(5)改变图形编辑窗口背景颜色图8-10 改变图形编辑窗口背景颜色的拾取路径图8-11白色背景的图形编辑窗口2.前处理（1）定义单位采用国际单位制m-kg-s-n-Pa，即长度单位为m,力单位为n，应

13、力单位为Pa。（2）选择单元类型图8-12 定义单元类型图8-13 定义材料特性（4）创建内外圆筒图8-14 创建内外圆筒图8-15 内外圆筒模型（5）划分网格图8-16 设置单元长度返回Mesh Tool对话框，单击Mesh按钮，弹出Mesh Volumes拾取窗口，单击Pick All按钮，完成网格划分，再单击Mesh Tool对话框中的Close按钮，如图8-17所示。图8-17 划分网格（6）创建接触对图8-18 打开接触向导 图8-19 设置目标面图8-20 设置接触面 再次弹出Contact Wizard对话框，单击Next按钮，进入实常数的设置对话框，Material ID材料号

14、和Coefficient of Friction摩擦系数保持默认，单击Optional settings.按钮，弹出Contact Properties对话框，如图8-21所示。设置Normal Penalty Stiffness法向接触刚度因子（FKN）为0.1，单击OK按钮。图8-21 接触参数设置 在返回的Contact Wizard对话框，单击Create按钮，弹出如图8-22所示对话框，向导中指出，该接触对的设置已经完成，且接触对号为3号。单击两个对话框的关闭按钮。图8-22接触对设置完成设置的圆筒接触单元如图8-23所示。图8-23圆筒接触单元 根据接触向导建立的接触单元特性通过实

15、常数体现。图8-24接触单元特性3.求解 本例中，内筒的内表面承受面载荷，外筒的外表面和底面被约束。对外筒的外表面施加约束，需要先切换总体坐标系为柱坐标。根据第二章2.3.2总体坐标系类型可知，柱坐标系中（X,Y,Z）分别代表R,Z，因此本例应该约束圆柱表面UY，圆柱底面UZ。（1）更改总体坐标系 拾取常用菜单Utility MenuWorkPlane Change Active CS to Global Cylindrical，将默认的笛卡尔坐标系更改为柱坐标系，如图8-25所示。图8-25 更改柱坐标系图8-26 施加约束（2）施加载荷图8-27 施加载荷图8-28 施加约束和载荷的圆筒（

16、4）计算求解图8-29求解窗口图8-30 状态窗口 4.后处理（1）显示等效应力云图 图8-31 显示等效应力云图图8-32 圆筒等效应力云图 由图8-32可知，圆筒等效应力最大值是32.7MPa，位于内圆筒内表面。该组合圆筒从内到外，径向应力逐渐减小。（2）保存结果并退出系统图8-33 保存结果并退出系统8.3 8.3 接触结构有限元法分析和接触结构有限元法分析和ANSYSANSYS分析的一分析的一般步骤般步骤8.3.18.3.1接触结构有限元法分析的一般步骤接触结构有限元法分析的一般步骤1.对于无滑动摩擦的接触问题（1）将接触的两物体分离，建立各自的有限元支配方程；（2）引入虚拟的约束，消

17、除A的刚体位移；将整体坐标系下的量转化到接触面的局部坐标系，得到接触点的柔度方程；（3）根据接触条件，建立相应的相容方程。2.对于有滑动摩擦的接触问题（1）将接触的两物体分离，建立各自的有限元支配方程：8 8.3.2.3.2 接触结构接触结构ANSYSANSYS分析的一般步骤分析的一般步骤1.启动ANSYS与初始设置（1）启动ANSYS；（2）初始设置：1）路径；2）文件名；3）工作标题；4）图形背景等设置；5）研究类型（Preferences）与计算方法。2.前处理（Preprocessor）（1）定义单位；（2）单元类型选择；（3）定义材料属性；（4）建立几何模型；（5）划分单元网格；（6）创建接触对：1）选择接触类型，2）定义目标面，3）定义接触面；4）设置接触特性。3.求解模型（1）设置约束条件和施加载荷；（2）求解运算。4.后处理（General Postproc）（1）读取计算结果；（2）图形结果；（3）保存（保存编程结果、图形，数据，表格）；（4）退出ANSYS。