搜索基于ANSYS經(jīng)典界面的單個螺栓聯(lián)接的分析
2017-07-12 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
螺栓聯(lián)接是機械聯(lián)接中的一種常見方式。在對機械裝配體進行有限元分析時,經(jīng)常涉及到螺栓聯(lián)接的分析問題。
那么如何對螺栓聯(lián)接進行分析呢?方法很多,這主要取決于問題本身的性質(zhì)及分析的目的。本文以單個螺栓聯(lián)接分析為例,說明如何在ANSYS經(jīng)典界面中進行有預(yù)緊的螺栓聯(lián)接分析。之所以選擇經(jīng)典界面,是為了清晰地說明ANSYS進行螺栓分析的實質(zhì)。雖然在WB中也可以方便的進行螺栓預(yù)緊的分析,但是那里只能看到表面現(xiàn)象,而對于弄清楚其建模的實質(zhì)幫助不大。
【問題描述】
一個連接結(jié)構(gòu)由上連接板,下連接板,一個螺栓,一個螺母構(gòu)成。如下圖所示。該圖只繪制了整個連接的四分之一,因為對稱的緣故,只分析四分之一就足夠。
該聯(lián)接很簡單,就是一個螺栓加上一個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)。
【問題分析】
1. 幾何建模。由于問題簡單,直接在ANSYS中進行建模,對于螺栓分成四個空心圓柱體,而螺母是一個空心圓柱體(藍色),它們之間均使用粘接的方式進行連接。
2. 預(yù)緊力的施加。首先需要創(chuàng)建一個預(yù)緊截面,并對此截面劃分網(wǎng)格,從而生成預(yù)緊單元。這里對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)對預(yù)緊單元施加預(yù)緊力。
3. 邊界條件。在四分之一的對稱面上分別施加對稱約束。
4. 分析類型。靜力學(xué)分析。
【分析步驟】
下面使用命令流來進行分析。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用于對整個裝配體的實體部分有限元建模,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)置實常數(shù)
r,1,,,0.1
r,2,,,0.1
r,2,,,0.1
上述三個實常數(shù)分別對應(yīng)三個接觸。
(1.3)設(shè)置材料參數(shù)
mp,ex,1,2e11
mp,prxy,1,0.3
設(shè)置整個裝配的彈性模量和泊松比,這是簡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個體,最后打開體的顯示開關(guān),使得把不同的體用不同的顏色和編號進行顯示。
VGLUE,3,4,5,6,7
上述命令用于把組成螺栓-螺母的5個體粘接在一起。
(1.5)對螺栓聯(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,對之劃分接觸單元。結(jié)果如下圖:
經(jīng)過這樣劃分后,由于這兩組接觸-目標(biāo)單元共享一個實常數(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,對之劃分為目標(biāo)單元。結(jié)果如下圖:
經(jīng)過上述兩組命令后,兩塊板的接觸面設(shè)置為接觸-目標(biāo)對,從而ANSYS會在其間進行接觸計算。
(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,對之劃分目標(biāo)單元。結(jié)果如下圖:
經(jīng)過上述劃分后,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)點在Z方向(即軸線方向)的自由度耦合在一起,也就是說,該平面上所有節(jié)點的Z自由度是一樣的。這個面不會發(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)點在Z方向(即軸線方向)的自由度耦合在一起,也就是說,該平面上所有節(jié)點的Z自由度是一樣的。這個面不會發(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處創(chuàng)建了一個與軸垂直的預(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
上述命令進入到求解器,并設(shè)置下述紅色箭頭所指的兩個平面的面外位移,這實際上是在設(shè)置對稱邊界條件。
(2.2)施加預(yù)緊力并求解
SLOAD,1,PL01,,FORCE,5000,1,2
SOLVE
上述命令首先對于前面創(chuàng)建的預(yù)緊截面上的每個預(yù)緊單元施加預(yù)緊力,一共是5000N,然后開始計算。
下面是求解迭代過程中的收斂曲線。
它表明在迭代過程中力和位移是如何收斂的。當(dāng)計算力與計算位移的誤差都小于給定容差時,計算結(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,螺栓上應(yīng)力最大達到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,螺栓上應(yīng)力最大達到212Mpa。相比于前面預(yù)緊力而言,此時的螺栓得到了放松,因此應(yīng)力減小。
======================================================================
【討論】
此問題的關(guān)鍵點在兩個命令
psmesh,,example,,volu,3,0,z,0.01,,,,elems
SLOAD,1,PL01,,FORCE,5000,1,2
前一個命令在螺栓中截面處創(chuàng)建了一個預(yù)緊截面,并在該截面上創(chuàng)建了預(yù)緊單元
而后一個命令則對該截面上的預(yù)緊單元施加了5000N的力。
如果我們最后進入到前處理,并查看單元類型,會發(fā)現(xiàn)下表
其中的第4中類型的PRES179在我們這個命令流的最開始是沒有創(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,每一個單元是由3個節(jié)點組成的,
例如4341單元是由10998,16054,16053三個節(jié)點組成的。
4342單元是由11007,16055,16053三個節(jié)點組成的的。
如果我們滾動該文件,可以發(fā)現(xiàn),所有單元都包含了16053這個共同節(jié)點。該節(jié)點用于對整個預(yù)緊截面定義預(yù)緊力。
那么,每個單元的另外兩個節(jié)點之間有什么關(guān)系呢?
我們查看4341單元是的節(jié)點10998,16054,查看其節(jié)點坐標(biāo)。
首先選擇與單元相聯(lián)的節(jié)點。
然后查看10998的節(jié)點信息
16054的節(jié)點信息
可見,這兩個節(jié)點的位置一模一樣。
在此,我們明白了,實際上,ANSYS在預(yù)緊面上的同一個點處創(chuàng)建了兩個節(jié)點,然后在這兩個點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
對于ANSYS而言,其求解的模型最終總是節(jié)點-單元構(gòu)成的對象,對于預(yù)緊力這種東西,它也轉(zhuǎn)化為預(yù)緊單元,而每個預(yù)緊單元是由3個節(jié)點構(gòu)成。
當(dāng)ANSYS創(chuàng)建預(yù)緊單元時,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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