第13章 有限元分析的装配技术

第13章有限元分析的装配技术

第1节基本知识

一、模型的归档与模型的合并装配

在实际问题中，创建的有限元模型最后必须装配起来形成部件或装配体。将每个有限元模型按一定规则写出，供装配时调用的过程叫模型的归档；将归档的不同有限元模型装配起来，就是模型的合并过程，在模型的合并过程中必须注意合并模型的各种实体对象和属性参数编号的冲突，避免发生重用编号等问题。

ANSYS提供了进行模型合并装配的功能，执行菜单Main Menu>Preprocessor>Archive> Model，有两个选项：一个是Write，用于写出各零件模型；另一个是Read，用于读入各个零件模型。

1．模型的归档—写出

执行菜单路径Main Menu>Preprocessor>Archive> Model>Write，弹出如图13-1所示的模型归档—写出模型文件对话框，各项设置如下。

●Data to Archive：选择All Associated FE and IGES（2 file），写出IGES文件和所有有限元模型及其相关文件信息，包括几何信息、材料属性、组件数据。

●Archive file：输入归档模型文件名，文件后缀为cdb。

●IGES file：输入IGES格式文件。

图13-1 模型归档—写出设置

2．模型的归档读入

执行菜单路径Main Menu>Preprocessor>Archive> Model>Read，弹出如图13-2所示的模型归档—读入模型文件对话框，各项设置如下。

●Data to Archive：选择All Associated FE and IGES（2 file），读入IGES文件和所有有限元模型及其相关文件信息，包括几何信息、材料属性、组件数据。

●Archive file：输入归档模型文件名，文件后缀为cdb。

●IGES file：输入IGES格式文件。

对于多模型的合并操作，读入归档模型时，必须与归档写出时的操作完全对应。

图13-2 模型归档—读入设置

二、MPC多点约束装配

MPC即Mutipoint Constraint，多点约束方程，其目的是将不连续、自由度不协调的单元网格连接起来，不需要连接边界上的节点完全一致。

MPC能够连接以下模型。

◆ SOLID模型—SOLID模型。

◆ SOLID模型—SHELL模型。

◆ SHELL模型—SHELL模型。

◆ SOLID模型—BEAM模型。

◆ SHELL模型—BEAM模型。

◆ FE模型—载荷施加点。

在ANSYS中，实现上述MPC技术有三种途径。

一是通过MPC184单元定义模型的刚性或二力杆的连接关系。定义MPC184单元模型与定义杆单元的操作完全一致，而MPC单元的作用可以是刚性杆（类似于CP，但允许考虑几何大位移功能，三个自由度连接关系）或者刚性梁（六个自由度连接关系）。

二是利用约束方程菜单路径Main Menu>Preprocessor>Coupling>Shell/Solid Interface创建板壳—实体之间的装配关系。

三是利用ANSYS接触向导功能定义模型之间的装配关系。选择菜单路径Main Menu>Preprocessor>Modeling>create>Contact Pair，弹出接触向导对话框，按提示创建接触对，并将Basic选项卡中的Contact alogrithm（接触算法）设置为MPC alogrithm，将behavior of contact surface设置为Bound（initial contact）。

MPC技术还支持大位移算法，在实际结构计算时比其它算法更准确。

MPC技术进行有限元分析涉及模型归档的写出、读入技术，模型的临界区域或者刚性区域的装配技术，模型的接触装配技术和模型的MPC接触装配技术。

第2节装配实体的有限元分析实例

案例1——装配体的有限元分析

a) 零件1：圆柱体b) 零件2：轴座c) 装配体

图13-3 装配模型示意图

问题

如图13-3所示，为轴和轴座的装配示意图。零件1为圆柱体，其半径为0.15米，长2米。零件2为轴座，长为1米，厚为0.2米，高为1.5米，孔距底面1米，半径0.15米，并与轴座上部半圆同心。将零件1装配到零件2（2件）孔内，且圆柱体的两端面分别与轴座的侧面平齐。装配模型底面固定，圆柱上部中间施加40 000N的力，计算装配模型的应力和变形情况。

条件

弹性模量为2.0×1011 N/m2，泊松比为0.3。

解题过程

第1步，创建零件1

1．准备工作

（1）清空数据库并开始一个新的分析选取Utility>Menu>File>Clear & Start New，弹出Clears database and Start New对话框，单击OK按钮，弹出Verify对话框，单击OK按钮完成清空数据库。

（2）指定新的工作文件名指定工作文件名。选取Utility>Menu> File>Change Jobname，弹出Change Jobname对话框，在Enter New Jobname项输入工作文件名，本例中输入的工作文件名为“11”，单击OK按钮完成工作文件名的定义。

（3）指定新的标题指定分析标题。选取Utility>Menu>File>Change Title，弹出Change Title对话框，在Enter New Title项输入标题名，本例中输入“Cylinder”为标题名，然后单击OK按钮完成分析标题的定义。

2．定义单元类型

运行主菜单Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，弹出Element Types对话框，单击Add按钮新建单元类型，弹出Library of Element Types对话框，先选择单元大类为Solid，接着选择Brick 8nod 45（Solid45），单击OK按钮，完成单元类型选择，单击Close按钮完成设置，如图13-4所示。

图13-4 定义单元类型

3．定义材料属性

运行主菜单Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models命令，系统显示材料属性设置对话框，在材料属性对话框中依次选择Structure、Linear、Elastic、Isotropic，如图13-5所示。完成选择后，弹出材料属性输入对话框，分别输入弹性模量2e11，泊松比0.3，如图13-6所示，单击OK按钮完成材料属性输入并返回图13-5。单击对话框右上方“X”按钮完成材料属性设置。

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2

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图13-5 进入材料属性设置

图13-6 定义材料属性