基于Ansys Workbench的圆柱销接触分析

前面一篇基于Ansys经典界面的接触分析例子做完以后，不少朋友希望了解该例子在Workbench中是如何完成的。我做了一下，与大家共享，不一定正确。毕竟这种东西，教科书上也没有，我只是按照自己的理解在做，有错误的地方，恳请指正。

1．问题描述

一个钢销插在一个钢块中的光滑销孔中。已知钢销的半径是0.5 units, 长是2.5 units，而钢块的宽是4 Units, 长4 Units,高为1 Units,方块中的销孔半径为0.49 units,是一个通孔。钢块与钢销的弹性模量均为36e6，泊松比为0.3.

由于钢销的直径比销孔的直径要大，所以它们之间是过盈配合。现在要对该问题进行两个载荷步的仿真。

（1）要得到过盈配合的应力。

（2）要求当把钢销从方块中拔出时，应力，接触压力及约束力。

2．问题分析

由于该问题关于两个坐标面对称，因此只需要取出四分之一进行分析即可。

进行该分析，需要两个载荷步：

第一个载荷步，过盈配合。求解没有附加位移约束的问题，钢销由于它的几何尺寸被销孔所约束，由于有过盈配合，因而产生了应力。

第二个载荷步，拔出分析。往外拉动钢销1.7 units，对于耦合节点上使用位移条件。打开自动时间步长以保证求解收敛。在后处理中每10个载荷子步读一个结果。

本篇只谈第一个载荷步的计算。

3．生成几何体

上述问题是ANSYS自带的一个例子。对于几何体，它已经编制了生成几何体的命令流文件。所以，我们首先用经典界面打开该命令流文件，运行之以生成四分之一几何体；然后导出为一个IGS文件，再退出经典界面，接着再到WORKBENCH中，打开该IGS文件进行操作。

（3.1）首先打开ANSYS APDL14.5.

（3.2）然后读入已经做好的几何体。从【工具菜单】-->【File】-->【Read Input From】打开导入文件对话框

找到ANSYS自带的文件

\Program Files\Ansys Inc\V145\ANSYS\data\models\block.inp 【OK】后四分之一几何模型被导入，结果如下图

（3.3）导出几何模型

从【工具菜单】】-->【File】-->【Export】打开导出文件对话框，在该对话框中设置如下

即把数据库中的几何体导出为一个block.igs文件。【OK】以后该文件被导出。

（3.4）退出ANSYS APDL14.5.

选择【OK】退出经典界面。

4．打开Ansys WorkBench，并新建一个静力学分析系统。

结果如下图

导入几何体模型。在Geometry单元格中，选择Import Geometry -->Browse，如下图

找到上一步所生成的block.igs文件。则该静力学系统示意图更新如下。可见，几何单元格后面已经打勾，说明文件已经关联。

5．浏览几何模型

双击Geometry单元格，打开几何体。在弹出的长度单位对话框内，选择米（Meter）的单位。

然后按下工具栏中的Generate按钮如下图

则主窗口中模型如下图

可见，长方形的变长是2m，这与题目中给定的大小是一致的。

然后退出DesignModeler，则又重新回到WorkBench界面中。

6．定义材料属性

双击Engineering Data，则默认材料是钢材。这里直接修改该钢材的属性即可。只有线弹性材料属性：弹性模量36E6和泊松比0.3

然后在工具栏中选择“Return To Project”以返回到WorkBench界面中。

7．创建接触

在主窗口中分别选择目标面，接触面如下

然后对该接触的细节面板设置如下

其中，

（1）说明接触类型是带摩擦的接触，摩擦系数是0.2，是非对称接触

（2）指明法向接触面的刚度因子是0.1.

8．划分网格

双击Model单元格进入到Mechanical中。在mesh下面插入一个method，并设置该方法为Sweep method.在其细节视图中选择Geometry为两个物体。则ANSYS会对这两个物体按照扫描方式划分网格。

在Mesh下面再插入一个尺寸控制，用于控制钢销的两个直角边为3等分。

在Mesh下面再插入另外一个尺寸控制，用于控制钢销的1个圆弧边为4等分。

按下Generate 后，则生成的有限元模型如下图。

9．设置边界条件

设置四个面为对称边界条件

然后还要固定钢块的一个面

此时模型树的结构如下图

10．进行求解设置

进行分析设置

其中，（1）意味着只有一个载荷步，该载荷步也只有一个载荷子步，关闭了自动时间步长，该载荷步结束的时间是100.

（2）的意思是打开大变形开关。

11．求解

在右键菜单中选择Solve进行计算。

12．后处理

查看总体的米塞斯应力如下图

可见，最大的应力是0.46Mpa左右，而在经典界面中得到的最大米塞斯应力是

0.29Mpa。这主要应该是由于两边的网格划分不一致所导致的。

查看接触处的状态（只考察接触面）

下面是接触处的渗透图

可见，最大渗透量是4.78mm，这与经典界面中的同样有区别。下图是接触压力

大致为0.26Mpa，同样比经典界面要大。

可见，这里给出的各个应力都要比经典界面大，但是都在一个量级上，一般来说，这应该是网格划分不相同的结果。如果进一步细分网格，无论经典界面还是Workbench均应该收敛到同一个值。