基于ANSYS經(jīng)典界面的單個(gè)螺栓聯(lián)接的分析

2017-07-12  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

螺栓聯(lián)接是機(jī)械聯(lián)接中的一種常見(jiàn)方式。在對(duì)機(jī)械裝配體進(jìn)行有限元分析時(shí),經(jīng)常涉及到螺栓聯(lián)接的分析問(wèn)題。

那么如何對(duì)螺栓聯(lián)接進(jìn)行分析呢?方法很多,這主要取決于問(wèn)題本身的性質(zhì)及分析的目的。本文以單個(gè)螺栓聯(lián)接分析為例,說(shuō)明如何在ANSYS經(jīng)典界面中進(jìn)行有預(yù)緊的螺栓聯(lián)接分析。之所以選擇經(jīng)典界面,是為了清晰地說(shuō)明ANSYS進(jìn)行螺栓分析的實(shí)質(zhì)。雖然在WB中也可以方便的進(jìn)行螺栓預(yù)緊的分析,但是那里只能看到表面現(xiàn)象,而對(duì)于弄清楚其建模的實(shí)質(zhì)幫助不大。

【問(wèn)題描述】

一個(gè)連接結(jié)構(gòu)由上連接板,下連接板,一個(gè)螺栓,一個(gè)螺母構(gòu)成。如下圖所示。該圖只繪制了整個(gè)連接的四分之一,因?yàn)閷?duì)稱的緣故,只分析四分之一就足夠。

該聯(lián)接很簡(jiǎn)單,就是一個(gè)螺栓加上一個(gè)螺母把上下兩塊連接板固定在一起。

現(xiàn)在給螺栓施加5000N的預(yù)緊力,然后施加1000N的工作載荷,要求施加該預(yù)緊力及施加工作載荷后,螺栓中的應(yīng)力分布狀態(tài),以及兩塊連接板的應(yīng)力狀態(tài)。

【問(wèn)題分析】

1. 幾何建模。由于問(wèn)題簡(jiǎn)單,直接在ANSYS中進(jìn)行建模,對(duì)于螺栓分成四個(gè)空心圓柱體,而螺母是一個(gè)空心圓柱體(藍(lán)色),它們之間均使用粘接的方式進(jìn)行連接。

2. 預(yù)緊力的施加。首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)預(yù)緊截面,并對(duì)此截面劃分網(wǎng)格,從而生成預(yù)緊單元。這里對(duì)螺栓的與其軸線垂直的中截面生成預(yù)緊截面,并在此截面上創(chuàng)建預(yù)緊單元。這些單元形成以后,在其上施加預(yù)緊力就可以。

所以預(yù)緊力的創(chuàng)建需要兩步(1)創(chuàng)建預(yù)緊截面并劃分網(wǎng)格得到預(yù)緊單元。(2)對(duì)預(yù)緊單元施加預(yù)緊力。

3. 邊界條件。在四分之一的對(duì)稱面上分別施加對(duì)稱約束。

4. 分析類型。靜力學(xué)分析。

【分析步驟】

下面使用命令流來(lái)進(jìn)行分析。讀者可以直接拷貝這些命令流到ANSYS經(jīng)典界面的命令提示欄中,一步一步分析即可。

1. 前處理

(1.1)創(chuàng)建單元類型

/prep7
et,1,solid186
et,2,targe170
et,3,conta174

上述命令流分別創(chuàng)建了三種單元類型。solid186用于對(duì)整個(gè)裝配體的實(shí)體部分有限元建模,而targe170,conta174則用于創(chuàng)建接觸的目標(biāo)面和接觸面單元。

(1.2)設(shè)置實(shí)常數(shù)

r,1,,,0.1
r,2,,,0.1
r,2,,,0.1

上述三個(gè)實(shí)常數(shù)分別對(duì)應(yīng)三個(gè)接觸。

(1.3)設(shè)置材料參數(shù)

mp,ex,1,2e11
mp,prxy,1,0.3

設(shè)置整個(gè)裝配的彈性模量和泊松比,這是簡(jiǎn)單的線彈性分析參數(shù)。

(1.4)創(chuàng)建螺栓聯(lián)接的幾何模型

/view,1,1,1,1

首先調(diào)整視角,以便觀看。

CYLIND,0.04,0.021,0.005,0.01,180,90
CYLIND,0.04,0.021,0.015,0.01,180,90

這里創(chuàng)建了兩個(gè)連接板。終于在主窗口中看到有顯示了,結(jié)果如下圖。

CYLIND,0.02,0.015,0.005,0.015,180,90

CYLIND,0.02,0.015,0.015,0.02,180,90
CYLIND,0.025,0.02,0.015,0.02,180,90

CYLIND,0.02,0.015,0.005,0,180,90
CYLIND,0.025,0.02,0.005,0,180,90

/PNUM,VOLU,1

/REPLOT

上述命令用于創(chuàng)建組成螺栓-螺母的5個(gè)體,最后打開(kāi)體的顯示開(kāi)關(guān),使得把不同的體用不同的顏色和編號(hào)進(jìn)行顯示。

VGLUE,3,4,5,6,7

上述命令用于把組成螺栓-螺母的5個(gè)體粘接在一起。

(1.5)對(duì)螺栓聯(lián)接劃分網(wǎng)格

VATT,1,1,1
esize,0.002
mshkey,1
mshape,0
vmesh,all

上述命令設(shè)定體的單元尺寸后,對(duì)體劃分網(wǎng)格,結(jié)果如下圖

(1.6)創(chuàng)建接觸

(1.6.1)創(chuàng)建螺母與上聯(lián)接板之間的接觸

asel,s,,,51
nsla,s,1
real,1
type,2
esurf
alls

上述命令選擇螺母的小表面,對(duì)之劃分目標(biāo)單元。結(jié)果如下圖:

asel,s,,,8
nsla,s,1
real,1
type,3
esurf
alls

上述命令選擇上聯(lián)接板的上表面,對(duì)之劃分接觸單元。結(jié)果如下圖:

經(jīng)過(guò)這樣劃分后,由于這兩組接觸-目標(biāo)單元共享一個(gè)實(shí)常數(shù)1,因此它們之間形成接觸關(guān)系。

(1.6.2) 然后創(chuàng)建上下聯(lián)接板之間的接觸

asel,s,,,7
nsla,s,1
real,2
type,2
esurf
alls

上述命令選擇上聯(lián)接板的下表面,對(duì)之劃分接觸單元。結(jié)果如下圖:

asel,s,,,2
nsla,s,1
real,2
type,3
esurf
alls

上述命令選擇下聯(lián)接板的上表面,對(duì)之劃分為目標(biāo)單元。結(jié)果如下圖:

經(jīng)過(guò)上述兩組命令后,兩塊板的接觸面設(shè)置為接觸-目標(biāo)對(duì),從而ANSYS會(huì)在其間進(jìn)行接觸計(jì)算。

(1.6.3 ) 最后創(chuàng)建螺栓頭與聯(lián)接板之間的接觸

asel,s,,,1
nsla,s,1
real,3
type,2
esurf
alls

上述命令選擇下聯(lián)接板的上表面,對(duì)之劃分接觸單元。結(jié)果如下圖:

asel,s,,,55
nsla,s,1
real,3
type,3
esurf
alls

上述命令選擇螺栓頭的下表面,對(duì)之劃分目標(biāo)單元。結(jié)果如下圖:

經(jīng)過(guò)上述劃分后,在螺栓頭下底面和下聯(lián)接板之間創(chuàng)建了接觸關(guān)系。

(1.7)進(jìn)行自由度耦合

EPLOT

asel,s,,,1
nsla,s,1
cp,1,uz,all

上述命令使得下底板的下平面上所有節(jié)點(diǎn)在Z方向(即軸線方向)的自由度耦合在一起,也就是說(shuō),該平面上所有節(jié)點(diǎn)的Z自由度是一樣的。這個(gè)面不會(huì)發(fā)生翹曲。

asel,s,,,8
nsla,s,1
cp,1,uz,all

上述命令使得上底板的上平面上所有節(jié)點(diǎn)在Z方向(即軸線方向)的自由度耦合在一起,也就是說(shuō),該平面上所有節(jié)點(diǎn)的Z自由度是一樣的。這個(gè)面不會(huì)發(fā)生翹曲。

(1.8)創(chuàng)建預(yù)緊截面并劃分網(wǎng)格

psmesh,,example,,volu,3,0,z,0.01,,,,elems

上述命令在與螺栓的軸線的中點(diǎn)處創(chuàng)建了一個(gè)與軸垂直的預(yù)緊截面,并在該截面上創(chuàng)建了一群預(yù)緊單元。

2. 求解

(2.1)設(shè)置邊界條件

FINI

/SOLU
ASEL,S,LOC,Y,0
DA,ALL,UY

ASEL,S,LOC,X,0
DA,ALL,UX
ALLS

上述命令進(jìn)入到求解器,并設(shè)置下述紅色箭頭所指的兩個(gè)平面的面外位移,這實(shí)際上是在設(shè)置對(duì)稱邊界條件。

(2.2)施加預(yù)緊力并求解

SLOAD,1,PL01,,FORCE,5000,1,2
SOLVE

上述命令首先對(duì)于前面創(chuàng)建的預(yù)緊截面上的每個(gè)預(yù)緊單元施加預(yù)緊力,一共是5000N,然后開(kāi)始計(jì)算。

下面是求解迭代過(guò)程中的收斂曲線。

它表明在迭代過(guò)程中力和位移是如何收斂的。當(dāng)計(jì)算力與計(jì)算位移的誤差都小于給定容差時(shí),計(jì)算結(jié)束。

(2.3)施加工作載荷并求解

SFA,8,,PRES,-1000/0.91028E-03
SFA,1,,PRES,-1000/0.91028E-03
SOLVE
FINI

上述命令分別給上下聯(lián)接板的表面施加拉力,使得螺栓連接被放松。

3. 后處理

(3.1)瀏覽預(yù)緊力后的應(yīng)力分布云圖

/POST1

SET,FIRST
PLNSOL,S,Z

上述命令查看施加預(yù)緊力后的應(yīng)力云圖,可以看見(jiàn),螺栓上應(yīng)力最大達(dá)到240Mpa。

(3.2)瀏覽施加工作載荷后的應(yīng)力分布云圖

SET,LAST
PLNSOL,S,Z

可以看見(jiàn),螺栓上應(yīng)力最大達(dá)到212Mpa。相比于前面預(yù)緊力而言,此時(shí)的螺栓得到了放松,因此應(yīng)力減小。

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【討論】

此問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)在兩個(gè)命令

psmesh,,example,,volu,3,0,z,0.01,,,,elems

SLOAD,1,PL01,,FORCE,5000,1,2

前一個(gè)命令在螺栓中截面處創(chuàng)建了一個(gè)預(yù)緊截面,并在該截面上創(chuàng)建了預(yù)緊單元

而后一個(gè)命令則對(duì)該截面上的預(yù)緊單元施加了5000N的力。

如果我們最后進(jìn)入到前處理,并查看單元類型,會(huì)發(fā)現(xiàn)下表

其中的第4中類型的PRES179在我們這個(gè)命令流的最開(kāi)始是沒(méi)有創(chuàng)建的,而是在

psmesh,,example,,volu,3,0,z,0.01,,,,elems

這句話結(jié)束以后才被創(chuàng)建的。

那么這些單元在哪里呢?運(yùn)行選擇工具集,篩選第4種單元類型,

可以看到主窗口中顯示如下

顯示其單元聯(lián)接信息

可見(jiàn),每一個(gè)單元是由3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的,

例如4341單元是由10998,16054,16053三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的。

4342單元是由11007,16055,16053三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的的。

如果我們滾動(dòng)該文件,可以發(fā)現(xiàn),所有單元都包含了16053這個(gè)共同節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)用于對(duì)整個(gè)預(yù)緊截面定義預(yù)緊力。

那么,每個(gè)單元的另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間有什么關(guān)系呢?

我們查看4341單元是的節(jié)點(diǎn)10998,16054,查看其節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

首先選擇與單元相聯(lián)的節(jié)點(diǎn)。

然后查看10998的節(jié)點(diǎn)信息

16054的節(jié)點(diǎn)信息

可見(jiàn),這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置一模一樣。

在此,我們明白了,實(shí)際上,ANSYS在預(yù)緊面上的同一個(gè)點(diǎn)處創(chuàng)建了兩個(gè)節(jié)點(diǎn),然后在這兩個(gè)點(diǎn)之間施加了力的作用,所有這些力相加就是預(yù)緊力。其含義示如下圖

對(duì)于ANSYS而言,其求解的模型最終總是節(jié)點(diǎn)-單元構(gòu)成的對(duì)象,對(duì)于預(yù)緊力這種東西,它也轉(zhuǎn)化為預(yù)緊單元,而每個(gè)預(yù)緊單元是由3個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

當(dāng)ANSYS創(chuàng)建預(yù)緊單元時(shí),它首先在指定位置處把已有模型一分為二,這如同使用了材料力學(xué)的截面法,那么這兩部分怎么相聯(lián)接呢?使用預(yù)緊力單元把這兩部分聯(lián)接在一起。

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