Ansys_过盈配合接触设置

Ansys_过盈配合接触设置

在ANSYS中正确地模拟过盈配合

过盈配合在机械产品的装配中使用相当普遍,譬如轴与轴承,轴与轴瓦,汽车的制动盘等,都是通过一定的过盈量来使两个装配部件紧密连接起来。

下面讨论如何在ANSYS中正确地模拟过盈配合。过盈配合在有限元分析中是一种典型的非线性接触行为。在有限元分析中设定了接触，从本质上来讲就是对相互接触的两个部件施加了某种约束，不同的接触算法对于接触约束的处理方法有所不同。接触约束的理论算法的选择，在ANSYS中是通过设置contact 单元的KEOPT(2)选项来实现的。在ANSYS中目前主要有5种接触约束算法： KEYOPT(2)=0 Augmented Lagrangian

加强的拉格朗日算法， 这个是ANSYS的缺省选择；

KEYOPT(2)=1

Penalty function

罚函算法；

KEYOPT(2)=2 Multipoint constraint (MPC)

多点约束算法；

KEYOPT(2)=3 Lagrange multiplier on contact normal and penalty on tangent 接触法向采用拉格朗日乘子，接触切向采用罚函数的综合算法。

KEYOPT(2)=4 Pure Lagrange multiplier on contact normal and tangent 法向和切向均采用拉格朗日乘子算法。

各种不同的约束算法各有优缺点，各有各自的最适用的场合，具体情况具体对待。大部分情况下，默认选择KEYOPT(2)=0就够用了。

过盈配合所致的接触分析的难点在于如何确定初始接触状态。初始接触状态设置得不对，会导致错误的计算结果或者不准确的计算结果，下面举2个例子来说明。

例1．两个圆柱体在几何上是刚好接触，划分网格后有限元模型有间隙。 如图1所示。

Ansys_过盈配合接触设置

图1. 两个在几何上刚好接触的圆柱体

这两个圆柱体，在几何上是刚好相切的，即处于几何上刚好接触的初始状态。划分网格后，由于在圆周上用小段直线代替了弧线，两个圆柱体之间产生了一定的间隙，两个圆柱体的有限元的初始状态不再是有接触的，此时，如果接触参数设置不当，就会因为初始约束不足，圆柱体出现刚体位移，得到错误的结果。

（说明：例1本来与设置过盈量是无关的，为了说明初始接触状态的重要性顺带说说。）

例2．有的人把两个接触部件的几何位置设定一定的过盈量，想用这个过盈量来模拟过盈配合，这种做法是错误的，几何上的过盈量不等于划分网格后有限元模型的实际过盈量。

下面的图2中，是一个孔类零件和一个轴类零件的截面图，轴和孔在几何位置上预设了过盈量。(内圈的红色圆是孔边界，外圈的蓝色圆是轴边界，轴和孔在几何上是相互侵入的)。

Ansys_过盈配合接触设置

图2：一个轴类零件和孔类零件的过盈配合的截面图

在几何上，图2的轴和孔有一定的过盈配合量，其大小等于两个圆的半径之差，我们的本意是想用这个几何位置上的过盈量来模拟过盈配合。

不幸的是，两个部件划分网格之后，实际的过盈量应该为单元之间的距离，即图上中靠得比较近的两条线段之间的距离，显然，这个距离不再等于我们预先设置的过盈量了。更何况，上面这个图还是两个部件的网格对对得比较整齐的情况，如果网格对的不整齐，过盈量就和我们预设的差的更远了。对于过盈配合来讲，过盈量的数值变化对于过盈产生的应力的影响是很大的。

在ANSYS中，要正确的设置过盈配合，主要分3步：

第一步：设置KEYOPT(9)=4；

KEYOPT(9)默认的值为0，意思是既考虑两个接触部件由于初始几何位置造成的初始侵入量(或者间隙)，同时也考虑CNOF参数设置的偏移量。意即接触部件的初始接触状态是由CNOF和初始侵入量(或间隙)共同决定的。此种情况下，两个接触部件的初始几何位置对初始接触状态是有影响的，这个对于准确设置过盈量是很不利的。(前面例2已经说明了通过几何位置设置初始过盈量是不准确的)。

Ansys_过盈配合接触设置

在设置了KEOPT(9)=4之后，程序在计算初始接触状态的时候就只考虑CNOF的设置值，不考虑接触部件的几何位置造成的侵入或间隙，而且过盈量是以ramp方式施加的。(ramp施加方式即逐步施加)。

第二步：通过设置Icont实常数。

划分网格后，通常情况下，Target surface 和contact surface上的单元之间会有间隙或者过盈量，如果间隙或者过盈量在Icont设定误差范围内，间隙或者过盈量会被消除掉，程序会使contact surface 和target surface上的单元处于刚好接触的状态。这个值的的具体设置参加帮助文档，本文中设置为0.2。

第三步：通过设置实常数CNOF来设置过盈量。在第二步中，通过Icont的设置，已经使得Contact surface上的单元和Target surface上面的单元处于刚好接触的位置了，此时再设置CNOF，CNOF的值就是过盈量。(CNOF的本意并不过盈量，只是在有了前面的设定后，它的值就是我们所要的过盈量，其具体含义请参考ANSYS的帮助文档)。

(下面这个例子实际上是一本ANSYS书上的一个例子，这个例子的PDF版本在网上流传甚广，但是原书上的分析结果是错误的，具体错误之处，将在后面提及)。

例3.一个简单的轴和带孔圆盘的过盈配合的实例。

圆盘的基本尺寸为：

内径Rpin=35mm（原书中此值为34mm）,外径Rpout=100,盘高Hp=25mm； 轴的基本尺寸为：

内径Rain=25mm，外径Raout=35mm，轴长La=150mm。

（原书中圆盘孔内径为Rpin＝34mm,和轴在几何上形成1mm的过盈量） 由于结构是完全轴对称的，故可只取四分之一模型分析之。

本例分析中，取过盈量f=0.01mm，而且本例仅仅计算由于过盈配合所产生的应力。

按照本例各个物理量所取的单位，最终的计算结果中，应力单位应该为MPa; 完整的命令流如下：

Finish

/clear,start

/TITLE,Contact analysis with initial interference

/PREP7

!带孔圆盘的基本尺寸；

Rpin=35

Rpout=100

Hp=25

!轴的基本尺寸；

Rain=25

Raout=35