接触分析中一种确定接触面的方法

!
当 !， 式 （’） 可以简化为： ! " $ 时， " # &$ ! ’! ! &! （!）
舰 船 科 学 技 术 第 31 卷 ・ !& ・ " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）建立轴的 ’+*,* 软件有限元模型， 计算在受 力 ! 时的初始变形 " ； （$）按式 （3） 或 （&） 计算出接触面的宽度 # ； （&）建立带接触面的机械手有限元模型， 按照方 向角" 和接触面宽 # 分割出接触面； （1）划分网格、 设置接触对；
% 问题背景
在我们解决一个普通的有限元分析的时候， 碰到 了一个非常棘手的问题。如图 % 所示， 这是某设备结 构中的一个机械手， 我们的目的是要对此机械手进行 有限元分析， 得出其结构强度， 然后进行优化设计。 经过初步分析， 发现的问题是， 其轴根部有应力集中， 达到了 # %"".S1 （如图 ! 所示） ， 对此作进一步分析， 找到了问题的根源在于， 加载约束时， 用在轴上的是 固定约束， 这显然是过强的约束， 实际的工况中轴和 外部是接触约束。现在的问题是， 在前部爪手的某种 受力状况下， 轴上接触力多大？轴跟其外部接触面的 接触位置在哪里？这是进行接触分析的初始条件。
图&
初步分析结果
图!
"#"$% 仿真模型
& 问题的提出
在前部爪手受力的情况下， 根据经验估计， 我们 假设轴和接触面四分之一面接触， 经过有限元接触分 析， 原 来 ’()) $*+ 的 应 力 集 中 的 地 方 应 力 减 少 为 如图 ’ 所示， 这给我们一个提示， 准确地确 ( ,-)$*+， 定接触位置和接触面可以使得分析结果更为准确。 如何才能够准确地确定接触位置和接触面的大小， 需 要找出此问题的解决途径。
［%］ ’+*,* 软件用户手册 - ./01 - 2 ［3］ ’(’)* 软件用户手册 - ./0%% - 4 -
接触分析中一种确定接触面的方法
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 张良春， 孙卓， 王惠贞， 侯彬 中国船舶重工集团公司第七一三研究所,郑州,450052 舰船科学技术 SHIP SCIECNE AND TECHNOLOGY 2003，25(2) 4次
接触分析中一种确定接触面的方法
张良春 孙 卓 王惠贞 侯 彬
’(""(!） （中国船舶重工集团公司第七一三研究所 摘 郑州
要： 给出了接触分析中一种寻找接触面的方法。接触问题的求解是 )*+,+ 软件有限元分析中的比较复
杂的问题， 尤其是确定接触面是解决 )*+,+ 接触问题的第一步。对于接触问题， 确定接触面是比较困难的， 传统的分 析方法大多采用经验估计的方法， 当然分析的结果具有不确定性。本文通过 )-).+ 软件仿真的方法可以首先确定接 触的理论位置和接触力， 通过 )*+,+ 软件初算出接触变形， 从而确定出接触面的大小、 位置， 为进一步的接触问题的 求解奠定了基础。本文不仅给出了一类典型问题的分析方法， 还就 )-).+ 和 )*+,+ 这两大软件的结合应用做出了 有益的尝试， 具有一定的借鉴价值。
舰 船 科 学 技 术 第 !( 卷 第 ! 期 V8% K !( *8 K ! !""# 年 ’ 月 +:CS +ECR*ER )*- >RE:*T4TU, )LB K !""# ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
1
结果评价
按照这一确定接触面பைடு நூலகம்方法， 我们对机械手重新
进行了接触有限元分析， 通过调整接触的摩擦系数， 我们给出了各种摩擦系统情况比较好的应变、 应力结 果， 如图 2 所示 （隐去了接触体） 。可以看出机械手轴 根部的最大应力为 2%2)67。这一数据对设计人员具 有重要的参考意义。图中的 “失真处” 是因为加载集 中载荷所致， 不具备参考价值， 其它位置的应力应变 有意义。
参考文献(2条) 1.ANSYS软件用户手册VER57 2.ADAMS软件用户手册VER110
相似文献(10条) 1.学位论文 马海霞 汽车继电器虚拟样机仿真技术研究 2008
本文将虚拟仿真技术应用到电磁继电器电磁系统特性的分析过程当中。在样机制作前得到汽车继电器的各种特性，以此作为产品设计和优化的依据，这 将对于汽车继电器的优化设计和缩短产品的开发周期有非常重要的意义。 本研究采用有限元软件ANSYS与多体动力学软件ADAMS相结合的仿真方法，综合两个软件在各自领域的优点，经试验验证有较高的精度。此方法应用于电 器的开发设计中，可以在制作样机前，掌握产品的性能参数，进而优化设计方案，降低设计费用。将ANSYS和ADAMS 两种软件相结合进行仿真的方法用于小型 继电器是本课题的一个创新点。以某型号电磁继电器为主要研究对象，在不影响仿真结果的前提下，利用ANSYS软件提供的APDL语言编写命令流在ANSYS软件 中建立汽车继电器电磁系统的三维实体模型，并对模型线圈工作在12V和9.6 V两种电压下分别进行仿真，求解得到在不同气隙和不同电流下衔铁所受电磁力 的数据，绘制出了吸力特性曲线，与实际测量的数据进行了比较，得到了验证。对电磁继电器的动态过程分析是在ADAMS软件中进行的。首先在ADAMS软件中 建立了两种模型，即刚体模型和柔体模型。在ANSYS软件中求解出不同气隙长度和不同电流下线圈中磁链值和电磁吸力的值，建立磁链和电磁吸力与气隙长度 和电流的二维关系表；将得到的电磁力数据、磁链数据以及实际测得的反力数据提供给ADAMS软件，由ADAMS软件对刚体模型和柔体模型分别进行继电器闭合 过程动力学仿真，得到继电器动态特性，即线圈电流、衔铁位移、衔铁速度、衔铁上的电磁吸力等随时间变化的情况；将线圈电流计算值与实际测量结果进 行了比较，基本相符。
下的变形分析。我们主要是为了得到轴的初始变形， 即轴被压缩了多少？这是计算出接触面的依据。如 图 . 所示， 是一个初始分析计算实例。
图.
轴初始变形分析
假设初始变形为 ! ， 下面给出两种情况的接触 宽度 " 的计算公式。 “圆—面” 接触时： +）当
图’ 四分之一接触分析结果
’ 解决途径
"#"$% 软件的仿真功能可以帮助我们解决这一 棘手的问题。 首先建立仿真模型、 加载机械手的各种约束关 系。在这种受力情况下， 比较容易地就仿真计算找出 受力的大小和方向如图 ! 所示。受力的方向可以确 定接触面位置。接触力的大小可以用来计算初始变 形， 从而计算出接触面的宽度。 根据轴和接触面的关系， 可以进行单独的初始有 限元分析， 以确定轴在接触面上的初始变形。可以认 为初始分析的最大变形量就是初始变形 ! 。 初始有限元分析是指轴和接触面在接触力条件
图! 接触宽度示意图
（!）添加接触实常数、 添加约束、 加载荷； （2）分析求解； （5）后处理， 结果分析。
事实上， “圆—面” 接触是 “圆—圆” 接触的特例， 即： 可由式 （ $） 取 ! ! " # 得到式 ! ! " # 的情况， 。 （%） 这种方法虽然也是一种近似的方法， 但比经验的 估计值要精确得多， 可以用来作为接触分析的初始 值。我们在解决问题时采用的是式 （&） 。
关键词： )-).+ 软件
)*+,+ 软件
仿真
有限元分析
!"# $%& ’() *( +,-. /(-*%0* 1234%0# ,- *"# /(-*%0* 5-%6&7,7
/0123 451236072 +72 /078 9123 :75;0<2 :87 =52 （ >0< ?%# @<A<1B60 C2AD5D7D<， E+CE， /0<23;087， ’(""(!） 587*3%0*： >05A 1BD56F< 52DB8G76<A 1 H1I 8J 08H D8 J52G 682D16D A7BJ16< 52 D0< 682D16D 121FIA5A K >0< A8F7D582 8J 682D16D LB8MF<NA 1B< 68NL1B1D5O<FI 68NLF<P K -<J52523 682D16D A7BJ16< 5A 82< 8J A5325J5612D G5JJ567FD5<A 1N823 D0<A< )*+,+ 682D16D LB8MF<NA K C2 D05A 1BD56F< H< G<J52< D0< D0<8B<D561F F861D582 12G D0< 682D16D J8B6< MI )-).+ A8JDH1B< A5N7F1D582，D0<2 J537B< 87D D0< G5N<2A582 8J 682D16D G<J8BN 7A523 )*+,+ A8JDH1B< K Q521FFI H< 612 G<J52< D0< G5N<2A582 12G F861D582 8J 682D16D A7BJ16< K >05A 1BD56F< 28D 82FI MB523 87D 12 121FIA5A A8F7D582 M7D 1FA8 DBI D8 68NM52< )-).+ 12G )*+,+ A8JDH1B< D8 A8FO< D0<A< LB8MF<NA K 9#& )(3.7： QR)，682D16D 121FIA5A，A5N7F1D582
" # & !& $ ・ ! % ! &
（(）
其中：$ 为轴 （圆） 的半径， 见图 , & 所示。 推导过程略。 当 ! " $ 时， 式 （(） 可以简化为： " # & !& $! “圆—圆” 接触时： /）当 （& $ % ! ） （ $ ’ !） ! （’） ! ’! 其中： 为 “圆—圆” 接触间隙， 见图 ,/ 所 ! # ( % $， 示。推导过程略。 " # & （&）
图% 机械手结构
收稿日期： !""# $ "% $ "&
第&期 张良春等： 接触分析中一种确定接触面的方法 ・ ,’ ・ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $
2.学位论文 张翠珠 基于ADAMS的全自动圆压平模切机的研究 2009
本课题是根据国内中小型印刷企业印后加工需求，受咸阳某包装企业委托，对现有圆压平半自动模切机进行全自动化的设计及研究。课题以提高模切加 工生产效率、操作简单方便、加工过程安全可靠为目的，结合现代CAE技术对圆压平模切机进行了整体设计，并对高速模切环境下的工作台系统进行了多体动 力学分析。<br> 长期以来，我国印刷业使用的各种印刷、印后、印前加工机械的设计方法多采用静态设计为主，根据同类产品的相关资料和经验公式方法进行计算和设计 ，没有有效的动态仿真设计新方法。本课题在印后加工机械研制过程中引入虚拟样机技术，采用ADAMS软件实现模切机主要运动机构在各种工况下随载荷变化 的运行状态及随时间变化过程的仿真模拟，得到仿真输出参数和结果，以此来准确推断实际运行的各种数据，对印后机械进行动态分析和计算有一定参考价 值，也为重要的金属结构部分的强度提供一定的分析依据。从而为将来印刷及包装行业进行计算机平台下虚拟设计的研发奠定基础，为模切机的创新设计和 优化设计提供先进的技术支持，对于加快机械研制周期、降低研制成本，也具有重要的意义。<br> 根据圆压平模切机自动化的需求特点，确定了系统的总体方案，包括自动供料设计、自动模切部分设计及其为了实现模切滚筒及工作台线速度一致的传动部 分设计；确定了模切工作台的运动特点，并对实现该运动的交流变频调速控制技术进行了可行性论证；针对圆压平模切高速模切的特点，有必要对模切工作 台的运动特性进行分析，以排除产生极大动量与惯性力的情况。本课题主要利用Pro/E、ADAMS软件平台，建立了模切机工作台运行系统的三维数字化虚拟样 机，并对其进行了较为系统的多体系统动力学仿真分析，实现了计算机对工作台系统按原定运行速度曲线工作时对机器的冲击力及随时间变化过程的仿真模 拟；以ADAMS仿真结果为依据，利用ANSYS软件对机架进行有限元分析，对应力集中及易发生变形的部分结构进行改进或者设置加强装置。
& 解决步骤
（%）通过 ’(’)* 软件仿真计算， 确定接触力的 方向角" 和接触力 ! ；
图2
接触分析结果示意图
参
考
文
献
作者简介： 张良春， 男， %8!1 年 3 月出生。%852 年 2 月毕业于 北京大学数学系应用数学专业， 获理工学学士学位。%88! 年 & 月获得西北工业大学航海工程学院水中兵器专业硕士学 位。现任第七一三所计算辅助工程研究部主任。