CWELD单元在某些接触分析中的应用

1、1 概述 有限元求解一般分为隐式分析、显示隐式分析、显示分析三种，隐式分析主要用于静力分析，显示隐式分析主要用于准静态分析，显示分析主要用于动力分析；如果按近似程度可分为线性分析、非线性分析两种。其中非线性分析还可以大概分为材料非线性、几何非线性、接触非线性等三种。隐式分析的求解方法一般是采用增量迭代法，需要转置换刚度矩阵，通过一系列线性逼近来获取解，对于存在内部接触这样高度非线性的问题分析时，经常出现不容易收敛及消耗计算资源较大等问题。 通过对接触类型进行对比发现，接触分析大概可以分为三类：第一类是分析前后相互接触的物体之间始终都有接触作用，如带螺栓预紧的零部件受力分析等；第二类是分析开始前

2、没有相互接触而在分析的过程中发生相互接触作用，如汽车碰撞分析等；第三类是分析开始前已有相互接触作用而分析过程中可能会发生接触面分离现象，如缸盖的气密性检查分析等。其中如果在第一类接触类型分析中不考虑接触力对结果的影响时，将是三者中相对较简单的，以下将通过应用HyperMesh中的CWELD单元，在保证分析结果精度的前提下，简化了某个适合于第一类接触类型的分析项目，即节省了计算时间与资源，又达到了该种接触类型分析的目的。 2 分析过程描述 图1 某变速器总成边界条件加载图 图1所示是某轿车用变速器总成，由上下两个壳体组成，下壳体下端面与发动机相连，为动力输入端，其它轴孔为动力输出端。两壳体通过螺

3、栓连接使两个对应端面之间产生接触关系而实现相互关联，并且在受力分析过程前后都不会产生分离现象，属于在概述中提到的三类接触分析类型中的第一类。以下将对该变速器总成实施在不同档位时，各个轴孔处传动轴因本身受力不均而把力传递到变速器壳体的相关分析。 用HyperMesh对变速器壳体进行网格划分，壳体本身由二阶四面体网格组成。相同边界条件的模型共有三套，单元基本尺寸分别为4mm、6mm、8mm，目的是对比不同基本单元尺寸模型结果的变化趋势，以确认模型的准确性。离合器的上下壳体相对端面之间通过创建膜单元及CWELD单元近似模拟相互接触关系。两壳体之间的连接螺栓也用二阶四面体网格划分，与上下壳体之间通过节

4、点对应实现相互关联。 边界条件如图1所示，在两个悬置点处端面上及与发动机相连接的下壳体下端面上相关单元的节点自由度全部约束。各个轴孔处所受力、力矩的大小、方向按项目组提供数据，添加在各轴孔中心位置处刚性RBE2单元的主节点上，然后再通过刚性RBE2单元的从节点传递到变速器壳体上。螺栓处所受预紧力在螺栓的中间某端面上施加。 用OptiStruct求解器对三套模型分别进行计算，通过对三套模型之间结果的横向对比，验证了模型的准确性。图2所示为单元基本尺寸为6mm的模型，在某档位受力情况下计算后得到的变速器上应力分布图。从图中可以看出，上下壳体之间的应力传递是连续的，上下壳体之间也没有因加载而出现相互

5、穿透的现象，同时也避免了假如用刚性RBE2单元连接上下壳体时，因给模型添加额外的刚度，而影响计算结果精度的情况，充分验证了这种分析方法的有效性和可行性。 图2 某变速器总成应力结果分布图 3 分析准确度验证 图3 带螺栓预紧简单受力模型图 为验证这种分析方法与实际隐式接触非线性分析方法之间误差的大小，现举如图3所示一个带螺栓预紧的简单受力模型。模型由基座、夹板、螺栓三部分组成，考虑到模型的对称性，只取一半模型用于分析。模型边界条件为：基座底部节点自由度全部约束，整个模型轴对称面上节点自由度做轴对称约束；螺栓中部某排单元端面上加平行于螺栓轴线、大小为7500N的螺栓预紧力，夹板端部第一排单元上加

6、竖直向下大小为10MPa的压力。整个模型由实体网格划分，各个部分之间的相互接触关系通过建模单元及CWELD单元近似模拟，该模型用OptiStruct求解器进行计算。 同时在ABAQUS前处理软件中建立相同单元尺寸、相同边界条件的模型，不同的是基座与夹板及夹板与螺栓头端面之间通过建立接触关系相互约束，摩擦系数取0.15；螺栓柱面与基座之间通过建立绑定约束相互关联，该模型用ABAQUS求解器进行计算。 两个模型的应力计算结果如图4所示，其中左侧结果是在ABAQUS中计算获得(应力结果已平均到单元质心处)，右侧结果是在OptiStruct中计算获得，两种分析结果同时用HyperView打开。从分析结果可以看出，基于CWELD单元的模型的结果应力最大值为277.3MPa，与在ABAQUS求解器中计算出的模型结果应力最大值282.3 MPa相差很小，另外，从两个模型的应力分布图可以看到，基于CWELD单元模型的结果应力最大值出现的位置及变化趋势都与在ABAQUS求解器中计算出的模型结果很相似。由此可以证明这种方法的准确度还是可以接受的。 图4 模型应力计算结果对比图 4 总结 基于CWELD单元的模型用OptiStruct求解器进行计算，由于不涉及到接触问题