基于ANSYS的接触弹簧有限元分析
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收 稿 日期 ；２ １— １ １ ；修 回 日期 ：２ １— ２１ ０ ２０ — ０ ０ ２ ０— ５
图 ６为耦合 完成 后 的残余 应力 等 值 线 图 。从 图 ６
作 者 简 介 ；高 雪 琴 （ ９６） １７ － ，女 ，山 西 盂 县 人 ，讲 师 ，硕 士 ，研 究 方 向 ：地 面 武 器 机 动 工程 。
基 于 ＡＮＳ ＹＳ的接 触 弹簧 有 限元分 析
高雪琴
（ 中北 大 学 机 电工 程 学 院 。 山 西 太原 ００ ５ ） ３ ０ １
摘 要 ：在 对 接 触 问题 分 析 的基 础 上 ，利 用 Ａ ＹＳ软 件 的接 触 分 析 能 力 ，对 弹 簧 卡 头 压 进 卡 座 的 力 学 过 程 进 ＮＳ 行 了分 析 。首 先 根 据 已知 数 据 对 结 构 建 模 ， 然 后 通 过 加 载 、求 解 等 步 骤 读 取 载 荷 子 步 的 计 算 结 果 及 变 形 形 状 ，最 终 得 出水 平 位 移 以及 竖直 位 移 和 压 下 位 移 的 关 系 曲线 图 ，并 对 结 果 进 行 了分 析 。
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图 ２ 生 成 的 卡 头 和 卡 座 几 何 模 型 图 ３ 模 型 的 位 移 约 束
２ 求 解 结 果 及 分 析
２ １ 不 同栽荷 子 步的 变形 结果 ． 图 ４为不 同载荷 子步 的变形 结果 。从 图 ４中可 以 看 出在 卡头压进 卡 座 的过 程 中 ， 头 和 卡座 都 产 生 了 卡
关 键 词 ：接 触 分 析 ；弹 簧 ；有 限 元
中 图分 类 号 ：ＴＨ１ ５： Ｂ １ ３ Ｔ １５
文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 引 言
时不需 要 考虑 。 由于对称 ， 用右半 部分 来建模 和计 算 ， 定义单 元类 型 为平板 单 元类 型 ， 生成 的卡 头 和 卡座 几 何模 型如 图 ２所 示 。然后对 模型进 行 网格划 分及加 载 求解 ， 分析类 型设 置 为 静力 学 分 析 。对 模 型施 加 位 移 约束 ， 卡座 固定 ， 卡头 在 垂 直方 向上 有位 移 ， 以对 卡 所 座施加 全 约束 ， 卡 头 施 加横 向 的 自由度 。对 模 型 的 对 位移 约束 如图 ３所示 。
受 到的压 力在竖 直方 向的分力 使得 卡头 产生 了弹性变
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形 。随着耦 合 的进行 这 种 变形 越来 越 大 ， 到耦 合完 成 时卡 头恢 复原状 。
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图 （） 应力 ｂ ｜ 寨 等值线图 （） 【 睁 ｃ 等 应力等值线图
弹性 变形 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图 ｌ 弹 簧 卡 头 和 卡 座 结 构 示 意 图
图 ５为第 ８载荷 子 步 位 移 等值 线 图 、 擦应 力 等 摩 值线 图 和等效应 力等 值线 图 。
２ ２ 耦 合 完成 后 的残余 应 力等 值 线 图 ．
利 用 ＡＮＳ Ｓ的前 处理 模块建 立 卡头 和卡 座 的结 Ｙ 构 模 型 ， 头和卡 座 的底板 被认 为是 刚性 的 ， 卡 因此 建模
计 算精 度 。
１ 弹 簧卡 头和卡座 几 何模 型的建 立 弹簧 卡 头 和 卡 座 的材 料 参 数 如 下 ： 性 模 量 为 弹 ３６ ０ＭＰ ； 松 比为 ０ ３ ； 擦 系数 为 ０ ２ 弹簧 卡 ０ ａ泊 ．２ 摩 ．。
头 和卡 座 的结构示 意 图如 图 １所示 。
第 ３期 （ 第 １ ２ ） 总 ７期
２１ ０ ２年 ６ 月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴ（Ｍ ＡＴ１ ） ０Ｎ
Ｎｏ． ３
Ｊ ｎ ｕ．
文 章 编 号 ：６ ２６ １ （０ ２０ — ０ ３０ １７ — ４ ３２ １） ３０ ３ — ２
在工 程 中会 遇到 大量 的接 触 问题 ， 如齿 轮 的啮合 、 法兰 联接 、 电轴承 接 触 、 头 与 卡 座 、 机 卡 密封 、 成 形 、 板 冲击 等 。接触 问题是 典 型 的状 态 非 线 性 问题 ， 需要 较 大 的计算 资源 ， 了进 行实 际有 效 的计 算 ， 解 问题 的 为 理 特性 和建立 合理 的模 型是 很 重要 的 。ＡＮＳ ＹＳ软件 具 有较 先进 的接触 分析 功能 ， 可分 析刚体 与柔 体 、 体与 柔 柔 体 之间 的接 触 。本 文 应 用 ＡＮＳ Ｓ软 件 ， 照 弹簧 Ｙ 按 卡头 与卡座 的几何 结 构和 已知数 据 ， 立其计 算模 型 ， 建 并 对 卡头压 进卡 座 的力 学 过程 进 行 有 限元 分 析 ， 察 考 其 刚度 特性 、 应力 分布 情况及 接触 状态 ， 以提 高模 型 的
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机 械 工 程 与 自 动 化
２ １ 年 第 ３期 ０２
可 以看 出 ， 合完 成 后在 卡 头 和 卡座 的 尖端 部 位 存 在 耦 着 大 量的残余 应力 ， 为避免此 情况 ， 以将卡座 和卡 头 可
接触 的尖锐 部分 设置 为 圆头的 。
图 ９为 Ｈ 点 竖 直位 移 和 压 下 位 移 的关 系 曲线 。 由图 ９可 以看 出 ， 点 的压下 位 移 和竖 直 位移 之 间 的 Ｈ 关 系不是 正 比关 系 ， 是 因为在 耦 合 的过 程 中 ＨＧ 面 这
图 ６为耦合 完成 后 的残余 应力 等 值 线 图 。从 图 ６
作 者 简 介 ；高 雪 琴 （ ９６） １７ － ，女 ，山 西 盂 县 人 ，讲 师 ，硕 士 ，研 究 方 向 ：地 面 武 器 机 动 工程 。
基 于 ＡＮＳ ＹＳ的接 触 弹簧 有 限元分 析
高雪琴
（ 中北 大 学 机 电工 程 学 院 。 山 西 太原 ００ ５ ） ３ ０ １
摘 要 ：在 对 接 触 问题 分 析 的基 础 上 ，利 用 Ａ ＹＳ软 件 的接 触 分 析 能 力 ，对 弹 簧 卡 头 压 进 卡 座 的 力 学 过 程 进 ＮＳ 行 了分 析 。首 先 根 据 已知 数 据 对 结 构 建 模 ， 然 后 通 过 加 载 、求 解 等 步 骤 读 取 载 荷 子 步 的 计 算 结 果 及 变 形 形 状 ，最 终 得 出水 平 位 移 以及 竖直 位 移 和 压 下 位 移 的 关 系 曲线 图 ，并 对 结 果 进 行 了分 析 。
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图 ２ 生 成 的 卡 头 和 卡 座 几 何 模 型 图 ３ 模 型 的 位 移 约 束
２ 求 解 结 果 及 分 析
２ １ 不 同栽荷 子 步的 变形 结果 ． 图 ４为不 同载荷 子步 的变形 结果 。从 图 ４中可 以 看 出在 卡头压进 卡 座 的过 程 中 ， 头 和 卡座 都 产 生 了 卡
关 键 词 ：接 触 分 析 ；弹 簧 ；有 限 元
中 图分 类 号 ：ＴＨ１ ５： Ｂ １ ３ Ｔ １５
文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 引 言
时不需 要 考虑 。 由于对称 ， 用右半 部分 来建模 和计 算 ， 定义单 元类 型 为平板 单 元类 型 ， 生成 的卡 头 和 卡座 几 何模 型如 图 ２所 示 。然后对 模型进 行 网格划 分及加 载 求解 ， 分析类 型设 置 为 静力 学 分 析 。对 模 型施 加 位 移 约束 ， 卡座 固定 ， 卡头 在 垂 直方 向上 有位 移 ， 以对 卡 所 座施加 全 约束 ， 卡 头 施 加横 向 的 自由度 。对 模 型 的 对 位移 约束 如图 ３所示 。
受 到的压 力在竖 直方 向的分力 使得 卡头 产生 了弹性变
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图 （） 应力 ｂ ｜ 寨 等值线图 （） 【 睁 ｃ 等 应力等值线图
弹性 变形 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图 ｌ 弹 簧 卡 头 和 卡 座 结 构 示 意 图
图 ５为第 ８载荷 子 步 位 移 等值 线 图 、 擦应 力 等 摩 值线 图 和等效应 力等 值线 图 。
２ ２ 耦 合 完成 后 的残余 应 力等 值 线 图 ．
利 用 ＡＮＳ Ｓ的前 处理 模块建 立 卡头 和卡 座 的结 Ｙ 构 模 型 ， 头和卡 座 的底板 被认 为是 刚性 的 ， 卡 因此 建模
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１ 弹 簧卡 头和卡座 几 何模 型的建 立 弹簧 卡 头 和 卡 座 的材 料 参 数 如 下 ： 性 模 量 为 弹 ３６ ０ＭＰ ； 松 比为 ０ ３ ； 擦 系数 为 ０ ２ 弹簧 卡 ０ ａ泊 ．２ 摩 ．。
头 和卡 座 的结构示 意 图如 图 １所示 。
第 ３期 （ 第 １ ２ ） 总 ７期
２１ ０ ２年 ６ 月
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＆ ＡＵＴ（Ｍ ＡＴ１ ） ０Ｎ
Ｎｏ． ３
Ｊ ｎ ｕ．
文 章 编 号 ：６ ２６ １ （０ ２０ — ０ ３０ １７ — ４ ３２ １） ３０ ３ — ２
在工 程 中会 遇到 大量 的接 触 问题 ， 如齿 轮 的啮合 、 法兰 联接 、 电轴承 接 触 、 头 与 卡 座 、 机 卡 密封 、 成 形 、 板 冲击 等 。接触 问题是 典 型 的状 态 非 线 性 问题 ， 需要 较 大 的计算 资源 ， 了进 行实 际有 效 的计 算 ， 解 问题 的 为 理 特性 和建立 合理 的模 型是 很 重要 的 。ＡＮＳ ＹＳ软件 具 有较 先进 的接触 分析 功能 ， 可分 析刚体 与柔 体 、 体与 柔 柔 体 之间 的接 触 。本 文 应 用 ＡＮＳ Ｓ软 件 ， 照 弹簧 Ｙ 按 卡头 与卡座 的几何 结 构和 已知数 据 ， 立其计 算模 型 ， 建 并 对 卡头压 进卡 座 的力 学 过程 进 行 有 限元 分 析 ， 察 考 其 刚度 特性 、 应力 分布 情况及 接触 状态 ， 以提 高模 型 的
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机 械 工 程 与 自 动 化
２ １ 年 第 ３期 ０２
可 以看 出 ， 合完 成 后在 卡 头 和 卡座 的 尖端 部 位 存 在 耦 着 大 量的残余 应力 ， 为避免此 情况 ， 以将卡座 和卡 头 可
接触 的尖锐 部分 设置 为 圆头的 。
图 ９为 Ｈ 点 竖 直位 移 和 压 下 位 移 的关 系 曲线 。 由图 ９可 以看 出 ， 点 的压下 位 移 和竖 直 位移 之 间 的 Ｈ 关 系不是 正 比关 系 ， 是 因为在 耦 合 的过 程 中 ＨＧ 面 这