★★★装配体有限元分析

基于ANSYS WORKBENCH的装配体有限元分析

模拟装配体的本质就是设置零件与零件之间的接触问题。

装配体的仿真所面临的问题包括：

（1）模型的简化。这一步包含的问题最多。实际的装配体少的有十几个零件，多的有上百个零件。这些零件有的很大，如车门板；有的体积很小，如圆柱销；有的很细长，如密封条；有的很薄且形状极不规则，如车身；有的上面钻满了孔，如连接板；有的上面有很多小突起，如玩具的外壳。在对一个装配体进行分析时，所有的零件都应该包含进来吗？或者我们只分析某几个零件？对于每个零件，我们可以简化吗？如果可以简化，该如何简化？可以删除一些小倒角吗？如果删除了，是否会出现应力集中？是否可以删除小孔，如果删除，是否会刚好使得应力最大的地方被忽略？我们可以用中面来表达板件吗？如果可以，那么，各个中面之间如何连接？在一个杆件板件混合的装配体中，我们可以对杆件进行抽象吗？或者只是用实体模型？如果我们做了简化，那么这种简化对于结果造成了多大的影响，我们可以得到一个大致的误差范围吗？所有这些问题，都需要我们仔细考虑。

（2）零件之间的联接。装配体的一个主要特征，就是零件多，而在零件之间发生了关系。我们知道，如果零件之间不能发生相对运动，则直接可以使用绑定的方式来设置接触。如果零件之间可以发生相对运动，则至少可以有两种选择，或者我们用运动副来建模，或者，使用接触来建模。如果使用了运动副，那么这种建模方式对于零件的强度分析会造成多大的影响？在运动副的附近，我们所计算的应力其精确度大概有多少？什么时候需要使用接触呢？又应该使用哪一种接触形式呢？

（3）材料属性的考虑。在一个复杂的装配体中所有的零件，其材料属性多种多样。我们在初次分析的时候，可以只考虑其线弹性属性。但是对于高温，重载，高速情况下，材料的属性不再局限于线弹性属性。此时我们恐怕需要了解其中的每一种材料，它是超弹性的吗？是哪一种超弹性的？它发生了塑性变形吗？该使用哪一种塑性模型？它是粘性的吗？它是脆性的吗？它的属性随着温度而改变吗？它发生了蠕变吗？是否存在应力钢化问题？如此众多的零件，对于每一个零件，我们都需要考察其各种各样的力学属性，这真是一个丰富多彩的问题。（4）有限元网格的划分。我们知道，通过WORKBENCH，我们只需要按一个按钮，就可以得到一个粗糙的网格模型。但是如果从HYPERMESH的角度来看，ANSYS自动划分的网格，很多都是不合理的，质量较差而不能使用。那么对于装配体中的每个零件，我们该如何划分网格？对于每一个零件，我们是否要对之进行切割形成规则的几何体后，然后尽量使用六面体网格？如果

我们这样做的话，那么单单划分网格这一项，就要消耗我们大量的时间。而且，当这种网格划分完以后，我们还需要反复加密网格，反复计算，直到结果的收敛。就如同减速器这样的一个装配体，稍微粗略的划分网格，都是10万多个节点，如果我们网格划分得细密一些，很容易上百万个节点。这么大量的节点，一般的笔记本和台式机计算起来都很困难。这给我们的仿真工作带来了极大的困扰。

这些问题都是前处理中出现的。如何解决这些问题，恐怕要我们广大的CAE工程师和CAE研究人员共同努力，从各个侧面进行研究，得到一些个别的成果，然后在某些时候，再集成起来，得到具有普遍指导意义的方法和结论。

ANSYS WORKBENCH提供的六种接触类型

不少朋友提到了关于接触类型的问题，对于如何使用接触类型弄不清楚。为了帮助刚入门的朋友们了解这些接触类型，笔者首先翻译了ANSYS 关于接触类型的帮助，然后对之进行点评。

翻译的部分帮助如下：

ANSYS WORKBENCH提供了6种接触类型，这些接触类型大多只对面接触使适用。

（1）bonded.使用绑定以后，在接触面或者接触边之间不存在切向的相对滑动或者法向的相对分离。这是缺省的接触类型，适用于所有的接触区域（实体接触，面接触，线接触）。

（2）no separation.这与绑定类似。在接触面或者接触线之间不允许发生法向的相对分离，但是允许发生少量的切向无摩擦滑动。

（3）frictionless:用于模拟无摩擦的单边接触。所谓单边接触，就是说，一旦两个物体之间出现了分离，则法向力就为零。因此当外力发生改变时，接触面之间可能会分开，也可能会闭合。这种情况下假设摩擦系数为零，即当发生切向相对滑动时，没有摩擦力。

（4）rough：与无摩擦接触类型相似。它模拟非常粗糙的接触，保证两个物体之间只是发生静摩擦，而不会发生切向的滑移，从而不会产生滑动摩擦。它相当于在两个物体之间施加了无限大的摩擦系数。

（5）frictional:有摩擦的接触。这是最实际的情况，两个接触面之间既可以法向分离，也可以切向滑动。当切向外力大于最大静摩擦力后，发生切向滑动。一旦发生切向滑动后，会在接粗面之间出现滑动摩擦力，该滑动摩擦力要根据正压力和摩擦系数来计算。此时需要用户输入摩擦系数。

（6）forced frictional sliding:该选项只对刚体动力学适用。它与frictional类型类似，只是没有静摩擦阶段。此时，系统会在每个接触点上施加一个切向的阻力。该切向阻力正比于法向接触力。

到底使用哪种接触类型，取决于你需要解决的问题。如果（1）需要模拟两个物体之间轻微的分离（2）要获得接接触面附近的应力，那么可以考虑下列三种接触类型：frictionless,rough和frictional.它们可以模拟间隙，并能更精确的建模真实的接触区域。不过使用这三种接触会导致更长的求解时间，也可能会导致收敛问题。如果出现了收敛问题，那么可以对接触区域使用更细的网格。

笔者的点评如下：

装配体的分析中，如何对两个物体之间的连接关系进行建模是一个关键技术问题。对于连接关系，总体考虑如下：

（1）如果两个相邻物体在分析中始终不会有相对运动，最好直接在DM中用多体部件来表达，这最省事。

（2）如果两个相邻物体在分析中存在相对运动，而我们并不关注其连接点附近的应力情况，那么用运动副来表述更简单。

（3）如果相邻两物体在分析中有相对运动，而且我们对这种相对运动的接触面及其附近点的应力情况感兴趣，那么使用接触。

关于接触类型的分类问题。

实际上，接触就是依据两个物体之间是否有切向和法向的相对分离来进行划分的。在两个相互接触的物体之间，也只能发生这两种运动。要么，在法线方向上可以分开；要么在切线方向上可以发生相对移动。

如果

（1）法线方向不可分开，切线方向也不可发生相对滑动，则使用boneded。

（2）法线方向不可分开，切线方向可以发生轻微的无摩擦滑动，则使用no separation.

(3) 法线方向可以分开，切线方向不可以发生相对滑动，则用rough.

(4) 法线方向可以分开，切线方向可以发生相对滑动，且没有摩擦力。则是frictionless。

(5) 法线方向可以分开，切线方向可以发生相对滑动，存在摩擦力。则是frictional。基于Ansys Workbench的接触分析例子1