浅谈基于ANSYS软件的接触分析问题.pdf

第 2 7卷第 7期 2 0 0 6年 7月 煤矿机械 Co n l Mi n e Ma c h i ne Vo 1 ． 2 7 N o． 7 J ．2 00 6 文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 6 0 7 ． 0 0 6 2 ． 0 3 浅谈基于 A N S Y S 软件的接触分析问题 钱俊梅’ ．江 晓红‘ 。仲小冬 ．范军’ 1 ． 中国矿业大学 ，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ；2 ． 盐城纺织职业技术学院，江苏 盐城 2 2 4 0 0 5 摘 要 介绍 了利用有限元软件 A N S Y S 进行接触分析的基础知识 ， 一般流程及相关要点。以 曲轨卸载装置为例 。 建立 了其有限元模型， 分析 了轮 轴与 曲轨之 间的接触压力 ， 指 出了在分析过程 中要 注意的问题 ， 为曲轨卸栽装置的后续工作提供 了有价值的参考。 关键词 A N S Y S ；接触分析 ；曲轨 中圈号 0 2 4 2 ． 2 1 文献标识码 A Ta l k i n g a b o u t C0 n t a c t An a l y s i s Ba s e d 0 n ANS YS S o ftwa r e Q ] A N J u n me i ‘ ， J I A NG X i a o h o n g ．Z HO N G X i a od o n ， F a n J a n ‘ 1 ． C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ．C h i n a | 2． Y a n c h e n g T e x t i l e V o c a ti o n a l T e c h n o l o g y C o l l e g e ， Y a n e h e n g 2 2 4 0 0 5 -C h i n a Ab s t r a c t I n t r o d u c e s s o me b a s i c k n o w l e d g e s ，g e n e r a l fl o w c h a r t a n d r e l a t i v e p o i n t s o f u s i n g fi n i t e e l e me n t s o f t - wa r e ANS YS t o c a r r y o u t c o n t a c t a n a l y s i s．Ta k i n g t he d e v i c e o f r a i l u n l o a d i n g as a n e x a mp l e，c rea t e s i t s fi n i t e e l e me n t mo d e l ，a n a l y z e s t h e c o n t a c t p r e s s u r e 0 f w h e e l a n d r a i l ，a n d p o i n t s o u t t o s o me a t t e n t i v e p rob l e m s d u r ． i n g t h e p r o c e s s o f a n a l y s i s．A1 l t h e s e wo r k s a r e v e r y v a l u a b l e t o t h e l a t e r wo r k o f r a i l u nlo a d i n g d e v i c e． Ke y wo r d s ANS YS；c o n t a c t an aly s i s ；r a i l 0前 言 接触问题大量存在 于机械工程 、 土木工程等领 域中 ， 是～种高度非线性 问题。多数的接触 问题 中 接触 区域是未知 的， 表面与表面会突然接触或突然 不接触 ， 这会导致系统刚度的突然变化 ； 另外接触 问 题往往涉及摩擦响应的求解， 结果 难以收敛。有限 元接触分析计算的结果能较好地符合实际工程情 况， 逐渐受到人们的关注。而 A N S Y S软件 的接触分 析就是基于这种方法 ， 并得到了广泛的应用。 1 A N S Y S接触分析介绍 A N S Y S 具 有 强大 的前 处理 ， 求解 和后 处 理 功 能。 。 I 接触分析类型 A N S Y S中的接触问题分为 2种类 型 ， 刚体 一柔 体的接触和柔体 一柔体 的接触。对于前者 ， 可 以认 为是完全刚性的， 没有应变、 应力 和变形 ， 适用于一 种软材料与一种硬材料接触的情形 ； 而后者， 适用于 接触刚度相近的两接触变形 体， 是应用最 为普遍 的 类型。 2 接触单元 应力都 出现在弹簧支座处 ， 这与筛 体的结构没有关 系。可见双通道筛结构明显改善了筛体工作时的变 形情况 ， 使得筛体运行更稳定 ， 提高使用寿命。 4结语 I 通过筛体的固有特性分析表明 双通道筛增 加了筛体结构刚度 ； 提高 了筛体弯曲变形 的固有频 率 ， 一定条件下 ， 可以有效地避免共振。 2 筛体正常工作时的整体变形主要为前几阶 模态振型的综合反映， 即绕着 3个坐标轴的转动和 筛体前后的相对扭动 。 3 单、 双通道振动筛在等参数下的动响应分析 表明 双通道振动筛筛框的刚度、 强度和结构稳定性 均优于单通道。在大型筛分机械 的设计 中， 考虑多 通道振动筛可以改善筛体结构的动态特性。 6 2 参考文献 [ 1 ] 王永岩。 郇荚楼， 孙奇涵． 大型直线振动筛动态仿真的研究[ J ] ． 计 算力学学报 。 2 0 i。 I 1 9 49 8 ． [ 2 ] 和世超． 赵尚民． 振动筛筛筐模态分析及动力响应【 j ] ． 焦作工学 院学报 。 2 0 0 1 5 - 4 0 4 0 3 ． [ 3 ] 吴 丽娟， 李 惠彬 ． 直线振动筛振 动特性分析[ J ] ． 机械工程师 ， 2 0 0 4 8 4 54 7 ． [ 4 ] 丁凯 ． Z K B 3 6 7 5大 型直线 振动 筛动强 度分 析 [ J ] ． 矿 山机械 ， 1 9 9 5 6 2 73 0 ． [ 5 ] 刘延柱， 陈文赶， 陈立群． 振动力学[ M ] ． 北京 高等教育出版社． 1 9 9 8． 作者简介朱福先 1 9 7 9 一 ， 江苏东台人． 现在中国矿业大学攻 读硕士学位， 专业为固体力学 ， 方向为机械结构动态设计。 E m a i l g l z h f x s i n a． c o rn ． c n ． ． 收稿 日期 2 0 0 6 ． 0 3 。 2 0 维普资讯 第 2 7卷第 7 期 浅谈基于 A N S Y S软件 的接触分析 问题钱俊梅 ， 等 C o 1 ． 2 7 N o ． 7 A N S Y S通过 建立在接触 面上 的接触单元与接 触物体连接、 组装 、 建立接触系统整体平衡方程。在 创建接触问题的模型时 ， 首先认清模 型中可能相互 接触的部分， 如果相互作用的其中之一是一点 ， 模型 的对应组元是节点； 如果相互作用的其中之一是一 个面 ， 模型的对应组元是单元。有限元模型通过 指 定的接触单元识别可能的接触对。 A N S Y S支持点 一点接触 ， 点 一面接触和面 一面 接触 3种接触方式。每种接触方式使用不同的接触 单元集 ， 各 自适用于特定的接触类型。 点 一点接触单元主要用于模拟点 一点的接触行 为， 比如传统的管道装配模 型 中采用点 一点接触单 元来模拟管端和约束之间的接触模型。使用这类接 触单元 ， 需要预先知道接触位置， 且只适用于接触面 之间有较小相对滑动的情况。如果 2个面上的节点 一一 对应 ， 相对 滑动又可 以忽 略不 计， 2个面挠度 转动 保持小量 ， 那么可以用点 一点的接触单元来 求解面 一面的接触 问题 。比较典型的是过盈装配问 题中采用点 一点 接触 单元来模 拟面 一面的接触 问 题。C o n t a 1 7 8 单元是大多数点 一点接触问题 的最好 选择 ， 此外还有 e o n t a 1 2和 e o n t a 5 2作为补充。 点 一面接触单元主要用于给点 一面的接触行为 建模， 例如 2 根梁的相互接触的梁端或尖角节点， 铆 头装配部件的角点。使用点 一面接触单元 ， 不需要 预先知道确切的接触位置， 接触面之间也不需要保 持一致的网格 ， 并且允许有大的变形和大的相对滑 动 。如果通过一组节点来定义接触面 ， 生成多个单 元 ， 那么可以通过点 一面的接触单元来模 拟面 一面 的接触问题。典型的例子 是插 头插到插座里 的模 型。其中， 面既可以是刚性体也可以是柔性体， A N ． s Y S提供 c o n t a 4 8 ， c o n t a 4 9 ， e o n t a 2 6三种点 一面接触单 元。其 中， e o n t a 2 6单元用来模拟柔性点 一刚性面的 接触。 面 一面接触单元有许多优点 ， A N S Y S支持刚体 一 柔体和柔体 一柔体 的面 一面的接触单元， 刚性 面 被当作 “ 目标” 面， 分别用 T a r g e 1 6 9和 T a r g e 1 7 0来模 拟2 D和 3 D的“ 目标” 面， 柔性体的表面被当作“ 接 触” 面 。 分 别 选 用 C o n t a 1 7 1 ， C o n t a 1 7 2和 C o n t a 1 7 3 ， C o n t a 1 7 4来模拟 2 D和 3 D的“ 接触” 面。面 一面接触 单元很适合于过盈装配安装接触或嵌入接触， 锻造， 深拉问题。 3 接触面与 目标面的确定 接 触面与 目标面 的选择可按 以下原则进行确 定 将凸面、 较软的面定义为接触面， 凹面 平面 、 较 硬的面定义为目 标面； 网格划分较细、 高阶单元的面 为接触面， 网格划分较粗、 低阶单元的面为目标面； 面积较小 的面为接触面， 面积较大的面为 目标面。 4 A N S Y s接触算法简介 接触算法 的选择会影响计算结果的收敛性和准 确性。A N S Y S提供罚 函数法、 拉格 朗 日法、 内部多 点约束法等接触算法。 2 A N S Y S接触分析的一般流程殛要点 1 A N S Y S接触分析的流程 如图 1 所示为 A N S Y S接触分析 的流程。 维普资讯 V o 1 ． 2 7 N o 7 浅谈基王 A N S Y S 软件的接触分析问题钱俊梅， 等 第 2 7 卷第 7 期 点 一点接触单元 ， 也可以用接触 向导生成面 一面和 点 一面 c o n t a 1 7 5 接触单元。 3实例分析 3． 1 问 题 的 描 述 上开式扇形 门箕斗 的曲轨卸载装置是 目前公认 的箕斗卸载的理想装置。它利用 曲轨中滑动的卸载 轮子通过轮轴带动扇形 门运动 ， 实现 自动卸 载功能。 因其结构简单 ， 无需施加外动力而广泛应用于各类矿 井中。通过分析计算轮子与曲轨之间的接触压力 ， 为 后续 的优化设计以及实验测试提供一定的参考。 3 ． 2 A N S Y S中的 求解 在 A N S Y S中建立轮轨模型 ， 轮子压在 曲轨的挡 板上 ， 轮轴对轮子的压 力为 4 O k N， 材料的弹性模量 为 2 ． 1 2 1 0 M P a ， 泊松 比为 0 ． 3 。曲轨与轮子均采 用 S O L I D 9 2单元进行 自由网格划分 ， 并 细化接触部 分网格 ， 使接触应力 的求解结果更为准确 。通过接 触向导生成面 一面接触单元并设置相应 参数。 生成 有限元模型 略 。曲轨的 4个螺栓孔采用全约束 ， 轮子中心孔加均布力 ， 大小为 2 ． 4 2 MP a ， 模拟轮轴设 置相应 的约束 ， 设 置求解选项进行求解。曲轨应力 与接触面压力分布图分别如图2 和图3 所示。其中 接触压力峰值为 2 0 9 MP a 。 一 一 图 2 V o n ra i s e s应力图 圈 3 接触 压力圈 F i g． 2 V o n rai s e s s t r e s s F i g ． 3 Co n t a c t p r e s s u r e 3 ． 3理论计 算 的 比较 赫兹公式的假设 有 4点 ， 在此假设曲轨模 型满 足其所有假设条件 ， 应用赫兹公式计算的理论值 qo 28 8 MP a 其 中 P 孚 ； 3 ． 9 N ／ m m 由此可见， 有限元计算结果偏小， 说明理论假设 的保守性。 3 ． 4 实际分析 中应注意的问题 接触 问题的分析十分复杂 ， 而且结果很容易出 现不收敛现象 ， 在实际分析过程 中应注意的以下几 个问题 1 多次调整接触 部分 网格 的大小以及接触 区 域的大小 ， 以尽量节省计算机资源， 并得到较为准确 的结果 。 2 轮子应施加模拟轮轴的约束 ， 比如选择适当 的节点 如 节点 9 0 5 2 ， 9 0 5 4 ， 9 1 0 8 ， 9 1 0 9等 施加沿轮 子轴线方向和垂直于轮子轴线且指向曲轨方向的约 束， 以保证接触模型的完全约束和结果的收敛。 3 静力分析中应选择 自动关闭接触间隙和减 小渗透 ， 以使结果趋于收敛。 4 考虑到对接触 刚度 的敏感性和迭代的次数 问题 ， 本文分析时采用 的接触算法是增强的拉格朗 日法和罚函数法。 参考文献 [ 1 ] 小飒工作室． 最新经典 A N S Y S 及 Wo r k b e n c h 教程[ M ] ． 北京 电子 工业 出版社 ． 2 0 0 4 ． [ 2 ] 刘坤． A N S Y S 有限元方法精解[ M 】 ． 北京 国防工业出版社， 2 O 0 5 ． [ 3 ] 邵蕴秋． A N S Y S 8 ． 0 有限元分析实例导航[ M] ． 北京 中国铁道出 版社 。 2 0 0 4 ． [ 4 ] 姜勇， 张波． A N S Y S 7 ． 0实例精解[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 4． [ 5 ] 李妍． 基于 A N S Y S 软件的接触问题分析及在工程中的应用[ D ] ． 吉林大学硕士学位论文 ． [ 6 ] 张朝晖 ． A N S Y S 8 ． 0结构分析及实例 解析 [ M] 北京 机 械工业 出 版社 ， 2 0 0 5 ． 作者简介钱俊梅 1 9 7 9 一 ． 女． 江苏南通人。 硕士研究生， 中国 矿业大学机电学院， 主要从事 C A D ／ C A E方面的工作 。 Em a i l l i n d a q ．j m1 2 6 ． c o rn． 收稿 日期 2 0 0 6 ． 0 4 ． 2 1 J 本 千U 声 明 煤矿机械 月刊从 2 0 0 6 年第 1 期开始， 以每 1 期为相应的期次 、 卷期记录出版次序 1 9 8 0年创刊至今已有 2 6 年 ， 每年划 为 1 卷 ， 2 0 0 6年为第 2 7卷。 1 9 8 0年 1 2期为第 1 卷 1 9 8 1 年 1 6期为第 2卷 1 9 8 2年 1 6期为第 3卷 1 9 8 3年 1 6期为第 4卷 1 9 8 4年 1 6期为第 5 卷 1 9 8 5年 1 6期为第 6卷 1 9 8 6年 l 一 6期为第 7 卷 1 9 8 7年 1 6期为第 8卷 1 9 8 8年 1 6期为第9卷 1 9 8 9年 1 1 2期为第 1 O卷 电4 1 9 9 0年 1 1 2期为第 l 1 卷 1 9 9 1 年 1 6 期 为第 1 2卷 1 9 9 2年 1 6 期 为第 1 3卷 1 9 9 3 年 1 6 期 为第 1 4 卷 1 9 9 4年 1 6 期为第 1 5卷 1 9 9 5年 1 6 期为第 1 6 卷 1 9 9 6年 1 6期为第 1 7卷 1 9 9 7年 1 6 期 为第 1 8 卷 1 9 9 8 年 1 1 2期为第 1 9卷 1 9 9 9年 1 1 2期为第 2 O卷 2 0 0 0年 1 1 2期为第 2 1 卷 2 0 0 1 年 1 1 2期为第 2 2卷 2 0 0 2年 1 1 2期为第 2 3卷 2 0 0 3年 1 1 2期为第 2 4卷 2 0 0 4年 1 1 2期为第 2 5 卷 2 0 0 5年 1 1 2期为第 2 6卷 2 0 0 6年 1 1 2期为第 2 7卷 文章参考文献以出版年、 卷、 期、 文 章页码进行引用。 维普资讯