Ansys_过盈配合接触设置
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
KEYOPT(2)=4 Pure Lagrange multiplier on contact normal and tangent 法向和切向均采用拉格朗日乘子算法。 各种不同的约束算法各有优缺点，各有各自的最适用的场合，具体情况具体对待。 大部分情况下，默认选择 KEYOPT(2)=0 就够用了。 过盈配合所致的接触分析的难点在于如何确定初始接触状态。初始接触状态 设置得不对，会导致错误的计算结果或者不准确的计算结果，下面举 2 个例子来 说明。 例 1．两个圆柱体在几何上是刚好接触，划分网格后有限元模型有间隙。 如图 1 所示。
Finish /clear,start
/TITLE,Contact analysis with initial interference /PREP7 !带孔圆盘的基本尺寸； Rpin=35 Rpout=100 Hp=25
!轴的基本尺寸； Rain=25 Raout=35
La=150
! 过盈量 f; f=0.01
FINISH /POST1 SET,1,LAST,1, PLNSOL,s,eqv
!查看单元的 Von Mises stress;
esel,s,ename,,174
PLNSOL, CONT,PRES, 0,1.0 !在 contact 单元上查看 contact pressure; SAVE 计算结果：
在 ANSYS 中正确地模拟过盈配合
过盈配合在机械产品的装配中使用相当普遍,譬如轴与轴承,轴与轴瓦,汽车 的制动盘等,都是通过一定的过盈量来使两个装配部件紧密连接起来。
下面讨论如何在 ANSYS 中正确地模拟过盈配合。过盈配合在有限元分析中 是一种典型的非线性接触行为。在有限元分析中设定了接触，从本质上来讲就是 对相互接触的两个部件施加了某种约束，不同的接触算法对于接触约束的处理方 法有所不同。接触约束的理论算法的选择，在 ANSYS 中是通过设置 contact 单 元的 KEOPT(2)选项来实现的。在 ANSYS 中目前主要有 5 种接触约束算法：
错误 2：他的所谓过盈量设置为 1mm，这个值很不符合工程常理。对于配合尺寸 只有 35mm 的轴和孔的过盈配合，这个值太大了，大得远远不符合工程常理，他 的计算结果也可以证明这一点：按照那本书上的命令流运行计算，得到的最大接 触应力有 2000 多 MPa，最大 Von Mises 应力大约有 6000-7000MPa，这个时候钢 早就屈服并产生塑形变形了，根本不可能产生这么大应力值，更何况，他的分析 是在线弹性材料的基础上进行分析的。 错误 4：他 Contact 单元选用的是 Conta174，而实体单元却选择的是不带中间节 点的一阶单元 SOLID185,这两个匹配是不对的。实体单元应该选择带中间节点的 SOLID186 单元。 下面是帮助文档中关于 Conta174 单元的一段话：
FINISH /SOL
FLST,2,4,5,ORDE,4 FITEM,2,5 FITEM,2,-6 FITEM,2,11 FITEM,2,-12 DA,P51X,SYMM !设置对称约束；
FLST,2,1,5,ORDE,1 FITEM,2,3 /GO DA,P51X,ALL, !* ANTYPE,0 NLGEOM,1 !必须打开大变形效应； NSUBST,1,0,0 AUTOTS,0 TIME,100 /STATUS,SOLU SOLVE
KEYOPT(2)=0 Augmented Lagrangian 加强的拉格朗日算法， 这个是 ANSYS 的缺省选择；
KEYOPT(2)=1
Penalty function 罚函算法；
KEYOPT(2)=2 Multipoint constraint (MPC) 多点约束算法；
KEYOPT(2)=3 Lagrange multiplier on contact normal and penalty on tangent 接触.2 MAT,1 R,3 REAL,3 ET,2,170 ET,3,174
R,3,,,0.2,0.2,0.9,0
!Icont 系数设置为 0.2;
!设置过盈量为 f; RMORE,,,1.0E20,f,1.0,0 RMORE,0.0,0,1.0,,1.0,0 RMORE,0,1.0,1.0,0.0,,1.0 KEYOPT,3,4,0 KEYOPT,3,5,0 NROPT,UNSYM KEYOPT,3,7,0 KEYOPT,3,8,0
!KEYOPT(9)=4; !不考虑初始几何位置造成的过盈或者间隙， !只考虑 CNOF 参数设置的值，即过盈量。 KEYOPT,3,9,4
KEYOPT,3,10,2 KEYOPT,3,11,0 KEYOPT,3,12,0 KEYOPT,3,2,0 KEYOPT,2,5,0 ! Generate the target surface ASEL,S,,,4 CM,_TARGET,AREA TYPE,2 NSLA,S,1 ESLN,S,0 ESLL,U ESEL,U,ENAME,,188,189 ESURF CMSEL,S,_ELEMCM ! Generate the contact surface ASEL,S,,,9 CM,_CONTACT,AREA TYPE,3
!把轴的位置沿着轴向移动一段距离； VGEN, ,2, , , , ,-10, , ,1 ! ! ! !************对实体划分网格 **************************** !* LESIZE,17, , ,15, , , , ,1 LESIZE,19, , ,15, , , , ,1 !* LESIZE,18, , ,2, , , , ,1 LESIZE,20, , ,2, , , , ,1 !* LESIZE,22, , ,20, , , , ,1 !* LESIZE,5, , ,10, , , , ,1 LESIZE,7, , ,10, , , , ,1 !* LESIZE,6, , ,8, , , , ,1 LESIZE,8, , ,8, , , , ,1 !* LESIZE,10, , ,3, , , , ,1 !* VSWEEP,ALL !*************网格划分完毕********************************** ! ! /COM, CONTACT PAIR CREATION - START
图 2：一个轴类零件和孔类零件的过盈配合的截面图
在几何上，图 2 的轴和孔有一定的过盈配合量，其大小等于两个圆的半径之 差，我们的本意是想用这个几何位置上的过盈量来模拟过盈配合。
不幸的是，两个部件划分网格之后，实际的过盈量应该为单元之间的距离， 即图上中靠得比较近的两条线段之间的距离，显然，这个距离不再等于我们预先 设置的过盈量了。更何况，上面这个图还是两个部件的网格对对得比较整齐的情 况，如果网格对的不整齐，过盈量就和我们预设的差的更远了。对于过盈配合来 讲，过盈量的数值变化对于过盈产生的应力的影响是很大的。
在设置了 KEOPT(9)=4 之后，程序在计算初始接触状态的时候就只考虑 CNOF 的设置值，不考虑接触部件的几何位置造成的侵入或间隙，而且过盈量是 以 ramp 方式施加的。(ramp 施加方式即逐步施加)。
第二步：通过设置 Icont 实常数。 划分网格后，通常情况下，Target surface 和 contact surface 上的单元之间会 有间隙或者过盈量，如果间隙或者过盈量在 Icont 设定误差范围内，间隙或者过 盈量会被消除掉，程序会使 contact surface 和 target surface 上的单元处于刚好接 触的状态。这个值的的具体设置参加帮助文档，本文中设置为 0.2。 第三步：通过设置实常数 CNOF 来设置过盈量。在第二步中，通过 Icont 的 设置，已经使得 Contact surface 上的单元和 Target surface 上面的单元处于刚好接 触的位置了，此时再设置 CNOF，CNOF 的值就是过盈量。(CNOF 的本意并不过 盈量，只是在有了前面的设定后，它的值就是我们所要的过盈量，其具体含义请 参考 ANSYS 的帮助文档)。
(下面这个例子实际上是一本 ANSYS 书上的一个例子，这个例子的 PDF 版本在 网上流传甚广，但是原书上的分析结果是错误的，具体错误之处，将在后面提及)。
例 3.一个简单的轴和带孔圆盘的过盈配合的实例。 圆盘的基本尺寸为： 内径 Rpin=35mm（原书中此值为 34mm）,外径 Rpout=100,盘高 Hp=25mm； 轴的基本尺寸为： 内径 Rain=25mm，外径 Raout=35mm，轴长 La=150mm。
（原书中圆盘孔内径为 Rpin＝34mm,和轴在几何上形成 1mm 的过盈量） 由于结构是完全轴对称的，故可只取四分之一模型分析之。 本例分析中，取过盈量 f=0.01mm，而且本例仅仅计算由于过盈配合所产生的应 力。 按照本例各个物理量所取的单位，最终的计算结果中，应力单位应该为 MPa; 完整的命令流如下：
图 3. 接触应力分布云图 最大接触应力为 22.352Mpa;
图 4. VonMises 应力分布图
最大等效应力为 72.746Mpa;
说明：修改 f 值即可修改过盈量。如果过盈量设置的过大，接触部件可能会产生 塑性变形，如果要考虑塑性变形，则材料应该修改定义为塑性材料。
原书的错误在于： 错误 1：试图用几何初始过盈量来模拟过盈配合，接触部件在几何位置上的过盈 量不等于接触部件划分网格后实际的过盈量。
!实体的单元类型为带中间节点的 2 阶六面体单元；
ET,1,solid186 MP,EX,1,2.1E5 MP,PRXY,1,0.3
!弹性模量； !poisson 系数；
!生成带孔圆盘的 1/4 实体模型； CYL4,0,0,Raout,0,Rpout,90,Hp
!轴的 1/4 实体模型； CYL4,0,0,Rain,0,Raout,90,La
在 ANSYS 中，要正确的设置过盈配合，主要分 3 步： 第一步：设置 KEYOPT(9)=4； KEYOPT(9)默认的值为 0，意思是既考虑两个接触部件由于初始几何位置造 成的初始侵入量(或者间隙)，同时也考虑 CNOF 参数设置的偏移量。意即接触部 件的初始接触状态是由 CNOF 和初始侵入量(或间隙)共同决定的。此种情况下， 两个接触部件的初始几何位置对初始接触状态是有影响的，这个对于准确设置过 盈量是很不利的。(前面例 2 已经说明了通过几何位置设置初始过盈量是不准确 的)。
图 1. 两个在几何上刚好接触的圆柱体
这两个圆柱体，在几何上是刚好相切的，即处于几何上刚好接触的初始状态。 划分网格后，由于在圆周上用小段直线代替了弧线，两个圆柱体之间产生了一定 的间隙，两个圆柱体的有限元的初始状态不再是有接触的，此时，如果接触参数 设置不当，就会因为初始约束不足，圆柱体出现刚体位移，得到错误的结果。
（说明：例 1 本来与设置过盈量是无关的，为了说明初始接触状态的重要性 顺带说说。）
例 2．有的人把两个接触部件的几何位置设定一定的过盈量，想用这个过盈 量来模拟过盈配合，这种做法是错误的，几何上的过盈量不等于划分网格后有限 元模型的实际过盈量。
下面的图 2 中，是一个孔类零件和一个轴类零件的截面图，轴和孔在几何位 置上预设了过盈量。(内圈的红色圆是孔边界，外圈的蓝色圆是轴边界，轴和孔 在几何上是相互侵入的)。
NSLA,S,1 ESLN,S,0 ESURF ALLSEL ESEL,ALL ESEL,S,TYPE,,2 ESEL,A,TYPE,,3 ESEL,R,REAL,,3 /PSYMB,ESYS,1 /PNUM,TYPE,1 /NUM,1 EPLOT ESEL,ALL /COM, CONTACT PAIR CREATION - END
Finish /clear,start
/TITLE,Contact analysis with initial interference /PREP7 !带孔圆盘的基本尺寸； Rpin=35 Rpout=100 Hp=25
!轴的基本尺寸； Rain=25 Raout=35
La=150
! 过盈量 f; f=0.01
FINISH /POST1 SET,1,LAST,1, PLNSOL,s,eqv
!查看单元的 Von Mises stress;
esel,s,ename,,174
PLNSOL, CONT,PRES, 0,1.0 !在 contact 单元上查看 contact pressure; SAVE 计算结果：
在 ANSYS 中正确地模拟过盈配合
过盈配合在机械产品的装配中使用相当普遍,譬如轴与轴承,轴与轴瓦,汽车 的制动盘等,都是通过一定的过盈量来使两个装配部件紧密连接起来。
下面讨论如何在 ANSYS 中正确地模拟过盈配合。过盈配合在有限元分析中 是一种典型的非线性接触行为。在有限元分析中设定了接触，从本质上来讲就是 对相互接触的两个部件施加了某种约束，不同的接触算法对于接触约束的处理方 法有所不同。接触约束的理论算法的选择，在 ANSYS 中是通过设置 contact 单 元的 KEOPT(2)选项来实现的。在 ANSYS 中目前主要有 5 种接触约束算法：
错误 2：他的所谓过盈量设置为 1mm，这个值很不符合工程常理。对于配合尺寸 只有 35mm 的轴和孔的过盈配合，这个值太大了，大得远远不符合工程常理，他 的计算结果也可以证明这一点：按照那本书上的命令流运行计算，得到的最大接 触应力有 2000 多 MPa，最大 Von Mises 应力大约有 6000-7000MPa，这个时候钢 早就屈服并产生塑形变形了，根本不可能产生这么大应力值，更何况，他的分析 是在线弹性材料的基础上进行分析的。 错误 4：他 Contact 单元选用的是 Conta174，而实体单元却选择的是不带中间节 点的一阶单元 SOLID185,这两个匹配是不对的。实体单元应该选择带中间节点的 SOLID186 单元。 下面是帮助文档中关于 Conta174 单元的一段话：
FINISH /SOL
FLST,2,4,5,ORDE,4 FITEM,2,5 FITEM,2,-6 FITEM,2,11 FITEM,2,-12 DA,P51X,SYMM !设置对称约束；
FLST,2,1,5,ORDE,1 FITEM,2,3 /GO DA,P51X,ALL, !* ANTYPE,0 NLGEOM,1 !必须打开大变形效应； NSUBST,1,0,0 AUTOTS,0 TIME,100 /STATUS,SOLU SOLVE
KEYOPT(2)=0 Augmented Lagrangian 加强的拉格朗日算法， 这个是 ANSYS 的缺省选择；
KEYOPT(2)=1
Penalty function 罚函算法；
KEYOPT(2)=2 Multipoint constraint (MPC) 多点约束算法；
KEYOPT(2)=3 Lagrange multiplier on contact normal and penalty on tangent 接触.2 MAT,1 R,3 REAL,3 ET,2,170 ET,3,174
R,3,,,0.2,0.2,0.9,0
!Icont 系数设置为 0.2;
!设置过盈量为 f; RMORE,,,1.0E20,f,1.0,0 RMORE,0.0,0,1.0,,1.0,0 RMORE,0,1.0,1.0,0.0,,1.0 KEYOPT,3,4,0 KEYOPT,3,5,0 NROPT,UNSYM KEYOPT,3,7,0 KEYOPT,3,8,0
!KEYOPT(9)=4; !不考虑初始几何位置造成的过盈或者间隙， !只考虑 CNOF 参数设置的值，即过盈量。 KEYOPT,3,9,4
KEYOPT,3,10,2 KEYOPT,3,11,0 KEYOPT,3,12,0 KEYOPT,3,2,0 KEYOPT,2,5,0 ! Generate the target surface ASEL,S,,,4 CM,_TARGET,AREA TYPE,2 NSLA,S,1 ESLN,S,0 ESLL,U ESEL,U,ENAME,,188,189 ESURF CMSEL,S,_ELEMCM ! Generate the contact surface ASEL,S,,,9 CM,_CONTACT,AREA TYPE,3
!把轴的位置沿着轴向移动一段距离； VGEN, ,2, , , , ,-10, , ,1 ! ! ! !************对实体划分网格 **************************** !* LESIZE,17, , ,15, , , , ,1 LESIZE,19, , ,15, , , , ,1 !* LESIZE,18, , ,2, , , , ,1 LESIZE,20, , ,2, , , , ,1 !* LESIZE,22, , ,20, , , , ,1 !* LESIZE,5, , ,10, , , , ,1 LESIZE,7, , ,10, , , , ,1 !* LESIZE,6, , ,8, , , , ,1 LESIZE,8, , ,8, , , , ,1 !* LESIZE,10, , ,3, , , , ,1 !* VSWEEP,ALL !*************网格划分完毕********************************** ! ! /COM, CONTACT PAIR CREATION - START
图 2：一个轴类零件和孔类零件的过盈配合的截面图
在几何上，图 2 的轴和孔有一定的过盈配合量，其大小等于两个圆的半径之 差，我们的本意是想用这个几何位置上的过盈量来模拟过盈配合。
不幸的是，两个部件划分网格之后，实际的过盈量应该为单元之间的距离， 即图上中靠得比较近的两条线段之间的距离，显然，这个距离不再等于我们预先 设置的过盈量了。更何况，上面这个图还是两个部件的网格对对得比较整齐的情 况，如果网格对的不整齐，过盈量就和我们预设的差的更远了。对于过盈配合来 讲，过盈量的数值变化对于过盈产生的应力的影响是很大的。
在设置了 KEOPT(9)=4 之后，程序在计算初始接触状态的时候就只考虑 CNOF 的设置值，不考虑接触部件的几何位置造成的侵入或间隙，而且过盈量是 以 ramp 方式施加的。(ramp 施加方式即逐步施加)。
第二步：通过设置 Icont 实常数。 划分网格后，通常情况下，Target surface 和 contact surface 上的单元之间会 有间隙或者过盈量，如果间隙或者过盈量在 Icont 设定误差范围内，间隙或者过 盈量会被消除掉，程序会使 contact surface 和 target surface 上的单元处于刚好接 触的状态。这个值的的具体设置参加帮助文档，本文中设置为 0.2。 第三步：通过设置实常数 CNOF 来设置过盈量。在第二步中，通过 Icont 的 设置，已经使得 Contact surface 上的单元和 Target surface 上面的单元处于刚好接 触的位置了，此时再设置 CNOF，CNOF 的值就是过盈量。(CNOF 的本意并不过 盈量，只是在有了前面的设定后，它的值就是我们所要的过盈量，其具体含义请 参考 ANSYS 的帮助文档)。
(下面这个例子实际上是一本 ANSYS 书上的一个例子，这个例子的 PDF 版本在 网上流传甚广，但是原书上的分析结果是错误的，具体错误之处，将在后面提及)。
例 3.一个简单的轴和带孔圆盘的过盈配合的实例。 圆盘的基本尺寸为： 内径 Rpin=35mm（原书中此值为 34mm）,外径 Rpout=100,盘高 Hp=25mm； 轴的基本尺寸为： 内径 Rain=25mm，外径 Raout=35mm，轴长 La=150mm。
（原书中圆盘孔内径为 Rpin＝34mm,和轴在几何上形成 1mm 的过盈量） 由于结构是完全轴对称的，故可只取四分之一模型分析之。 本例分析中，取过盈量 f=0.01mm，而且本例仅仅计算由于过盈配合所产生的应 力。 按照本例各个物理量所取的单位，最终的计算结果中，应力单位应该为 MPa; 完整的命令流如下：
图 3. 接触应力分布云图 最大接触应力为 22.352Mpa;
图 4. VonMises 应力分布图
最大等效应力为 72.746Mpa;
说明：修改 f 值即可修改过盈量。如果过盈量设置的过大，接触部件可能会产生 塑性变形，如果要考虑塑性变形，则材料应该修改定义为塑性材料。
原书的错误在于： 错误 1：试图用几何初始过盈量来模拟过盈配合，接触部件在几何位置上的过盈 量不等于接触部件划分网格后实际的过盈量。
!实体的单元类型为带中间节点的 2 阶六面体单元；
ET,1,solid186 MP,EX,1,2.1E5 MP,PRXY,1,0.3
!弹性模量； !poisson 系数；
!生成带孔圆盘的 1/4 实体模型； CYL4,0,0,Raout,0,Rpout,90,Hp
!轴的 1/4 实体模型； CYL4,0,0,Rain,0,Raout,90,La
在 ANSYS 中，要正确的设置过盈配合，主要分 3 步： 第一步：设置 KEYOPT(9)=4； KEYOPT(9)默认的值为 0，意思是既考虑两个接触部件由于初始几何位置造 成的初始侵入量(或者间隙)，同时也考虑 CNOF 参数设置的偏移量。意即接触部 件的初始接触状态是由 CNOF 和初始侵入量(或间隙)共同决定的。此种情况下， 两个接触部件的初始几何位置对初始接触状态是有影响的，这个对于准确设置过 盈量是很不利的。(前面例 2 已经说明了通过几何位置设置初始过盈量是不准确 的)。
图 1. 两个在几何上刚好接触的圆柱体
这两个圆柱体，在几何上是刚好相切的，即处于几何上刚好接触的初始状态。 划分网格后，由于在圆周上用小段直线代替了弧线，两个圆柱体之间产生了一定 的间隙，两个圆柱体的有限元的初始状态不再是有接触的，此时，如果接触参数 设置不当，就会因为初始约束不足，圆柱体出现刚体位移，得到错误的结果。
（说明：例 1 本来与设置过盈量是无关的，为了说明初始接触状态的重要性 顺带说说。）
例 2．有的人把两个接触部件的几何位置设定一定的过盈量，想用这个过盈 量来模拟过盈配合，这种做法是错误的，几何上的过盈量不等于划分网格后有限 元模型的实际过盈量。
下面的图 2 中，是一个孔类零件和一个轴类零件的截面图，轴和孔在几何位 置上预设了过盈量。(内圈的红色圆是孔边界，外圈的蓝色圆是轴边界，轴和孔 在几何上是相互侵入的)。
NSLA,S,1 ESLN,S,0 ESURF ALLSEL ESEL,ALL ESEL,S,TYPE,,2 ESEL,A,TYPE,,3 ESEL,R,REAL,,3 /PSYMB,ESYS,1 /PNUM,TYPE,1 /NUM,1 EPLOT ESEL,ALL /COM, CONTACT PAIR CREATION - END