ansys_workbench_螺栓_接触分析
Ansys螺栓联接的接触分析
第一篇ANSYS结构分析第1章接触分析1.1 螺栓和法兰联接的接触分析在各种机械结构中，螺栓联接是一种简单而普遍的联接形式。
螺栓联接的研究历史悠久，一个世纪以来，各种科研机构均对其进行过深入细致的研究，多采用两种常用的方法，理论解析法和有限单元法。
由于理论解析法要对结构进行简化，忽略了结构中许多非线性因素影响，如：螺栓联接结构的螺栓预紧作用和被联接法兰面之间的接触等非线性行为均不能模拟，分析的结果误差较大。
ANSYS有限元分析软件具有很强的非线性接触行为模拟能力，同时还能利用新开发的Pretention179单元模拟螺栓的预紧作用。
下面结合一个实际例子模拟说明螺栓和法兰之间的联接。
1.1.1 主轴联轴螺栓作用水轮发电机主轴联轴螺栓是水轮发电机重要联接部件，连接着水轮发电机主轴和转子支架。
在保证机组的正常稳定运行中起着极其重要的作用。
如果联轴螺栓联接不可靠，被联接法兰间存在间隙，必将会导致机组振动过大，影响机组的正常稳定运行。
情况严重时将导致联轴螺栓断裂，主轴脱落，产生不可挽回的损失。
下面的例子重点分析了主轴联轴螺栓强度和被联接圆盘的接触状态，利用ANSYS的APDL（ANSYS Parametric Design Language）脚本编程语言，编制程序进行参数化优化设计，这样就可以快捷地分析各种拓扑结构相似的螺栓结构。
该方法具有相当的通用性，适用于模拟多种螺栓联接结构。
12图1-1 主轴联轴螺栓结构有限元剖分示意图 图1-2 主轴联轴螺栓结构边界条件 1.1.2 主轴联轴螺栓分析流程针对上面结构的模型，采用了参数化编程语言编制了APDL 程序，建立了螺母和圆盘，螺母和主轴，圆盘和主轴之间的接触对，详细讲述了接触对的建立方法。
同时还详述了螺栓预紧单元（Pretention179）的建立方法和预紧单元的加载方法以及求解中需要注意的事项。
下面结合APSL 程序说明模拟过程，重要步骤给出GUI 操作方式。
ANSYS Workbench 19.0基础入门与工程实践 第7章 接触分析
3．无摩擦
• 无摩擦接触，即两接触体之间是理想状态。当外力作用时，两接触体可以发生 分离和相对滑动，当两物体分离后，法向作用力减为0，两物体接触滑动时处 于理想状态，不产生摩擦力作用。
4．静摩擦
• 模拟静摩擦的场景，当两物体之间不发生相对滑动但是存在静摩擦力的时候， 可以使用本接触类型进行设置，可以理解为两物体之间的静摩擦力需要多大就 提供多大。
• 7.3.2 几何建模 • 7.3.3 材料属性设置 • 7.3.4 接触设置 • 7.3.5 网格划分 • 7.3.6 载荷及约束设置 • 7.3.7 模型求解 • 7.3.8 结果后处理
7.4 接触分析实例——螺栓连接
• 螺栓连接在接触问题中非常典型，本例将以螺栓连接为对象，详细介绍如何加 载预紧力、设置螺栓连接接触类型等常见技术问题，为读者进行螺栓连接分析 提供指导。
5．摩擦接触
• 通用摩擦接触，既包含静摩擦也包含滑动摩擦，在接触初始时，两接触体是静摩擦状态，当 外界作用力增大且使两接触体发生相对滑动时，此时产生滑动摩擦，滑动摩擦力基于F=计算， 用户在定义该接触类型时需要定义接触面之间的摩擦系数。
6．滑动摩擦
• 直接滑动摩擦接触是指接触体之间不发生静摩擦作用的阶段。该接触类型只针 对刚体动力学分析，系统接触力与法向正压力成正比。
• 支座及底板材质为结构钢材，在WB 19.0中默认即可；螺栓材质选用45号钢，其材料属性参 数：Ε=209000MPa，泊松比μ=0.269。
• 7.4.4 接触设置 • 7.4.5 网格划分 • 7.4.6 载荷及约束设置 • 7.4.7 模型求解 • 7.4.8 结果后处理
7.5 本章小结
• 本章先对接触问题的基本概念和模型进行介绍，让读者对有限元接触有一个概 念性的了解。然后通过两个实例分析，详细介绍如何在WB 19.0中进行含非线 性接触问题的仿真设置和操作，并对WB 19.0中提供的各类接触模型及接触类 型进行逐一讲解，使读者掌握如何选择接触类型、设置接触参数、查看接触产 生的各种结果类型，最终完成整个接触项目的仿真。
ANSYS workbench 接触简介
Contact Status Open p
Contact Status Open p
Penetration
Gap
Penetration
Gap
Closed 法向拉格朗日法
3-8
Closed 罚函数法
Penetration
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
积分点探测
节点探测
3-9
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
... 接触公式
Training Manual
• 对于特定的“绑定”和“不分离”两个面间的接触类型,可用多点约束 (MPC) 算法.
– MPC 内部添加约束方程来“联结”接触面间的位移 – 这种方法不基于罚函数法或Lagrange乘子法 .它是直接有效的关联绑定接触面 方式。 – MPC算法基础的绑定接触也支持大变形效应
– “N “Normal lL Lagrange” ” 法是因为拉格朗日乘子公式用于法线方向而罚函 数 方法用于切线方向而得名的.
3-12
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
… 公式对比
Training Manual
• 下表列出不同接触算法的比较，用“+”表优势，“-”表劣势:
F
当接触协调性不被强制时会发生渗透.
Contact
Target
F
3-4
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
B. 接触公式
• 对非线性接触实体表面, 可使用罚函数或增强拉格朗日公式:
ANSYSWorkbench接触分析案例详解
ANSYSWorkbench接触分析案例详解本⽂由Workbench⼩学⽣授权转载这篇⽂章囊括了接触分析中常见的问题，并通过思考和验证，给出了解决⽅案和经验总结，相信朋友们按照这篇教程完整的⾛⼀遍分析过程，会对接触分析的理解更近⼀步。
1.建模。
条件：⼀个圆盘与⼀个矩形板，⽣成壳体。
注意：两者分析之前未接触。
2.选取材料。
进⼊材料库，选取⾮线性材料中的铝合⾦（Aluminum Alloy NL）注意：NL表⽰Nonlinear ，译为⾮线性。
3.进⼊分析模块，调出Properties选项4.修改分析类型，将Analysis type由3D改为2D5.双击Model进⼊分析界⾯，修改矩形板的材料为Aluminum Alloy NL，圆盘默认为结构钢（Structural Steel）6.参数设置（1）根据左侧outline依次向下添加（由于此分析不⽤添加局部坐标系，因此修改完材料属性后，直接添加接触）（2）⼯况：矩形板与圆盘为摩擦接触（也可使⽤⽆摩擦接触，读者可以亲⾃尝试）（3）接触⾯为圆盘外圆周，⽬标⾯为矩形板顶边，设置摩擦系数为0.15（4）由于模型为刚-柔接触，因此修改behavior为⾮对称（Asymmetric）（5）在advanced中将接触算法设置为增⼴拉格朗⽇（Augmented Lagrange）（6）探测⽅法设置为⾼斯点探测（on Gauss point ）注意：①由于两者的材料都是⾦属，因此摩擦系数 ≤0.2②⾮线性分析中默认的接触算法为增⼴拉格朗⽇（Augmented Lagrange），线性默认为纯罚函数（Pure penalty）③纯罚函数的收敛性很好，接触刚度对其影响⼤，但是它的穿透性不可控制，⽽增⼴拉格朗⽇收敛性表现为穿透较⼤，迭代次数较多，但其可以在⼀定程度上控制穿透性④⾼斯点与节点探测的区别：⾼斯点：适合⼤多情况，⽹格密度⼩、更精确节点：仅适⽤于⾓接触⑤局部坐标系的添加：如果全局坐标系不是所需要的，就必须添加局部坐标系作为附属坐标系7.划分⽹格（Mesh），选中图中模型，根据模型⾃动划分⽹格8.分析设置（Analysis Setting）（1）打开⾃动时间步（Anto Time Stepping）与⼤变形（Large Deflection）（2）修改载荷⼦步依次为50,50,100后，其他均默认9.添加边界条件（Load or Supports）（1）选中矩形板的下边线，将其设置为Displacement（2）X⽅向数值设置为-15mm，Y⽅向数值设置为0（3）选中圆盘的外圆周，将其设置为Fixed support思考：为什么打开⼤变形开关？答：因为在静⼒学中，极限转动⾓度为10°，⼤位移或者⼤转动即视为⾮线性分析，当受⼒物体的变形与其⼏何尺⼨相⽐较⼤，且线性叠加原理不再适⽤时，可视作⼤变形。
基于ANSYS Workbench螺栓连接不同建模方法的有限元分析
基于ANSYS Workbench螺栓连接不同建模方法的有限元分析王丽【摘要】螺栓连接是机械工程中常见的连接方式,然而在不同的行业、不同的研究问题以及不同的工况下处理螺栓连接所使用的建模方法也有所不同.不同建模方法是否会对机械组件的计算结果产生较大的影响、不同建模方法的特点、不同建模方法的适用场合、目前最主要的螺栓连接的建模方法等等问题,文章将以一个简单的例子予以回答,旨在为实际工程中螺栓连接问题的处理提供参考.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2019(000)008【总页数】4页(P126-129)【关键词】螺栓连接;建模方法;有限元分析;ANSYS Workbench软件【作者】王丽【作者单位】陕西工业职业技术学院,陕西咸阳712000【正文语种】中文【中图分类】TS103.3螺栓连接是机械设计及工程问题中常见的紧固连接方式，几乎所有的设备上都能用到螺栓连接。
通常，在连接螺栓的强度设计和校核中，根据螺栓受到的外载，计算螺栓预紧力，再根据不同工况下的计算公式进行强度计算，如静载荷与动载荷的分析计算。
有限元分析方法是通过分析螺栓连接的整体装配模型，获得螺栓外载，再通过手工计算进行螺栓连接的设计。
然而，螺栓连接的行为相当复杂。
典型的螺栓连接受限于各种因素的影响，从初始预紧到最后的螺栓变化载荷，需要考虑的参数组合相当令人困惑，尤其是还要考虑螺栓连接的失效。
因此准确地构造螺栓连接特征就显得尤为重要[1-2]。
基于不同的螺栓连接设计需求，有限元分析中对分析模型的处理方式也不同。
下面给出了螺栓连接4种建模方法的数值模拟过程，并加以讨论。
（1）螺栓不参与建模，零件之间的连接使用绑定接触，无螺栓预紧力。
（2）螺栓连接采用梁单元建模，此处采用两种方式：梁连接无螺栓预紧力；线体模型的梁单元包含螺栓预紧力及连接面之间的摩擦接触。
（3）螺栓连接使用实体单元，不包含螺纹接触，包含螺栓预紧力及摩擦接触。
（4）螺栓连接使用实体单元，包含螺纹接触、螺栓预紧力及摩擦接触。
ANSYS接触类型分析.
Workbench中提供了5种接触类型，单从字面上很难理解这几种接触的区别，下面将帮助中关于这几个接触类型的描述翻译出来，供参考:1.Bonded（绑定）:这是AWE中关于接触的默认设置。
如果接触区域被设置为绑定，不允许面或线间有相对滑动或分离。
可以将此区域看做被连接在一起。
因为接触长度/面积是保持不变的，所以这种接触可以用作线性求解。
如果接触是从数学模型中设定的，程序将填充所有的间隙，忽略所有的初始渗透。
2.No Separation（不分离）:这种接触方式和绑定类似。
它只适用于面。
不允许接触区域的面分离，但是沿着接触面可以有小的无摩擦滑动。
3.Frictionless（无摩擦）:这种接触类型代表单边接触，即，如果出现分离则法向压力为零。
只适用于面接触。
因此，根据不同的载荷，模型间可以出现间隙。
它是非线性求解，因为在载荷施加过程中接触面积可能会发生改变。
假设摩擦系数为零，因此允许自由滑动。
使用这种接触方式时，需注意模型约束的定义，防止出现欠约束。
程序会给装配体加上弱弹簧，帮助固定模型，以得到合理的解。
4.Rough（粗糙的）:这种接触方式和无摩擦类似。
但表现为完全的摩擦接触，即没有相对滑动。
只适用于面接触。
默认情况下，不自动消除间隙。
这种情况相当于接触体间的摩擦系数为无穷大。
5.Frictional（有摩擦）:这种情况下，在发生相对滑动前，两接触面可以通过接触区域传递一定数量的剪应力。
有点像胶水。
模型在滑动发生前定义一个等效的剪应力，作为接触压力的一部分。
一旦剪应力超过此值，两面将发生相对滑动。
只适用于面接触。
摩擦系数可以是任意非负值。
其他总结：Bonded：无相对位移，如同共用节点。
No Separation：法向不分离，切向可以有小位移。
后面三种为非线性接触。
Frictionless：法向可分离，但不渗透，切向自由滑动。
Rough：法向可分离，不渗透，切向不滑动。
Frictional：法向可分离，不渗透，切向滑动，有摩擦力。
ANSYS workbench 接触简介
... 基本概念
接触区域协调性:
Training Manual
• 物理上，接触体间不相互渗透. 因此, 程序必须建立两表面间的相互关系以 阻止分析中的相互穿透 止分析中的相 穿透.
– 程序阻止渗透, 称为强制接触协调性. – Workbench Mechanical提供几种不同接触公式来在接触界面强制协调性.
– 一些例如对称接触或接触探测的主题稍后介绍
3-13
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
C. 接触刚度和渗透
Training Manual
• 尽管Workbench-Mechanical 默认为“Pure Penalty”, 但在大变 形问题的无摩擦或摩擦接触中建议使用“Augmented Lagrange”.
Fnormal k normal x penetration
– 这里对于 这里对于一个有限的接触力 个有限的接触力 Fnormal, 存在一个接触刚度的 存在 个接触刚度的knormal的概念，接触刚 的概念 接触刚 度越高，穿透 量 xpenetration越小，如下图所示 – 对于理想无限大的knormal , 零 零穿透. 这对于基于罚函数方法没有可能，但是只要 xpenetration 足够小或可忽略，求解的结果就是精确的。
Training Manual
介绍的具体课题是:
•
本章描述的性能通常适用于ANSYS Structural 或以上的license
3-2
Workbench Mechanical - Introduction to Contact
A. 基本概念
接触:
• 两独立表面相互接触并相切，则称之为接触. • 一般物理意义上, 接触的表面包含如下特性:
Ansys workbench 螺栓接触实例操作
8例1 螺栓连接件分析如图所示为一螺栓连接的法兰连接件简图，法兰一端及内侧面固定约束。
载荷1为螺栓预应力1000N载荷2为螺栓预应力1500N载荷3为螺栓预应力2000N根据实际情况，自己设定接触类型，其中摩擦类型接触对时，摩擦系数为0.1 为方便设置，材料均取钢材，求其变形及应力。
边界条件螺栓连接件分析1 导入几何模型，进入DS模块2 材料设置选择默认的材料：Structural Steel3 设置接触螺栓与螺母的接触类型为Bonded螺栓杆与法兰的接触类型为Frictional，摩擦系数为0.1螺栓杆与垫片内壁的接触类型为Frictional，摩擦系数为0.1其余接触类型为No Separation4 网格划分5 选择分析类型·在“New Analysis”中选择结构静力学分析“Static Structural”；6 施加约束与载荷1）施加固定约束·点击“Static Structural”，在“Supports”中选择固定约束“Fixed Support”·选择法兰一端及内侧面固定约束；2）施加载荷·选择载荷1处螺栓杆表面，添加螺栓预应力“Bolt Pretension”大小为1000N ·选择载荷2处螺栓杆表面，添加螺栓预应力“Bolt Pretension”大小为1500N ·选择载荷3处螺栓杆表面，添加螺栓预应力“Bolt Pretension”大小为2000N5 设定求解类型1）求解变形·点击“solution”，点击“Deformation”选择“Total”，求解变形·点击“Stress”，选择“Equivalent (V on-Mises)”，求解等效应力6 单击“Solve”求解7 观察求解结果·点击“Total Deformation”查看变形·点击“Equivalent Stress”查看应力分布例2卡紧散热片的不锈钢扣件受力分析扣紧件是一个不锈钢的卡子，因为散热片同功率部件之间的接触力同最终的散热有很大关系，因此研究力的大小是很有意义的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
13
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
Initial Contact Status
Available by inserting a contact tool in the contact folder.
Result Tracker Types
Directional Deformations (x, y, z) Contact
– – – – – – – – – – – – – Number Contacting Number Sticking Pressure Penetration Gap Frictional Stress Sliding Distance Chattering Elastic Slip Normal Stiffness Max Tangential Stiffness Min Tangential Stiffness Resulting Pinball
Search sphere size indicator appears in graphics window
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
4
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
Contact Folder: Details
The RMB on the header displays options to add, removed, and reset columns
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
8
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
Transparency can be disabled, level of opaqueness can be adjusted in options
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
11
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
Auto detection types:
Face/Face Face/Edge Edge/Edge Priority for type during auto generation Automates construction of connections between part, manual effort is sometimes necessary Setting the appropriate priority improves the outcome of the automatic generation, review of generated objects is good practice
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
3
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
Contact Folder: Details
Automatic generation based on pair options Disable transparency Rename based on geometry names Tolerance type: a) slider b) numeric value
Available for each contact pair Converged solution data Various types
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
20
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
Contact Meshing
Contact objects can be drug and dropped
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
17
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
Solution Information Convergence History Result Trackers Newton Raphson Residuals
Contact Object Display Contact side is red Target side is blue
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
9
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
Contact Object Display Click on detail and corresponding part highlights Makes it easy to understand definition
14
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
Initial Contact Status
Lists useful information such as: 1) Status 2) Number elements contacting 3) Penetration and/or gap (gap is negative) 4) Size of gaps closed
Valuable information when setting up contact simulations
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
15
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
Contact Meshing
Initial information result object displays a table of information about the initial state of contact throughout the model
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Incact Types
Surface body face to surface body edge
Solid body edge to surface body edge Surface body edge to surface body edge
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
10
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
Contact Objects: Transparency
Selected contact objects in tree will be shown in graphics window displayed with corresponding parts as more opaque than other parts
5
Joins solid and surface bodies together by defining contact relationship between corresponding faces and edges
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
18
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
Convergence History
Useful for understanding the solution progress
- Solution output text - Force convergence - Max DOF increment - Line search parameter - Time increment
Workbench Simulation
Contact Analysis
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
1
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
Objective and Outline
Contact related features available in ANSYS Workbench
– – – – – – Contact objects Initial contact status Contact meshing Solution information Contact results Wizards
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
2
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
2004 ANSYS, 2005 ANSYS, Inc.Inc.
7
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary
Contact Folder: Worksheet View
Columns can be sized by sliding header divider
6
ANSYS, Inc. Proprietary ANSYS, Inc. Proprietary