基于ABAQUS的铰链连接强度模拟仿真分析

1、(北京)CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM工程分析软件应用基础铰链连接强度模拟仿真分析院系名称： 机械与储运工程学院 专业名称： 机械工程 学生姓名： 张海峰 学 号： 2012214517 指导教师： 王文明 完成日期 2013 年 5 月 3 日一问题提出重型机械一直以来都是中国企业发展的重要行业，其技术含量也比较高，与汽车行业类似，其也是CAE应用的重点领域。这个案例就是取材于重型机械起重机吊架中间的强度校核，其中案例模型中的零部件已经过简化，并缩小了零部件的尺寸，其主要目的就是减小计算机的执行成本。但是并不影响该案例的执行效果，其完全可以应用到具体的析项目中.。

2、固定支架是用螺栓固定到其他零部件上，受力板通过铰链与固定支装配形式在机械行业中应用得非常多，而且其强度一般都能满足设计要求。二案例求解1定义部件（Part）Step 1 启动ABAQUS/CAE，创建一个新的模型数据库，重命名为The contact analysis of gemel，保存类型为The contact analysis of gemel.cae。Step 2 从Module列表中选择Part，进入Part模块，在模型树中单机Part图标，打开Create Part 对话框，设置第一个部件的Name为Part-gudingzhijia-left(左固定支架)，Modeling

3、Space为3D，Base Feature 中设置Shape为Solid，Type为Extrusion，Approximate size 为0.05，单机Continue.按键进入草图环境；单机工具箱中的（Create Lines: Connected），过以下各点作一条封闭的曲线：（0.0,0.0）、（0.015,0.0）、（0.015,0.001）、（0.001,0.001）、（0.001,0.01）、（0.0,0.01）、（0.0,0.0），单击提示区的Done按键，弹出Edit Base Extrusion 对话框，输入拉伸度Depth为0.012，单击OK按键，完成拉伸操作，生成左固

4、定支架的第一个特征。图1 设置模型类型图2 输入拉伸长度图3 左固定支架的固定地面的特征图Step 3 执行ShapeCutExtrude 命令或者单击工具箱中的（Create Cut: Extrude），选择左固定支架短边的断面，接受Select an edge or axis that will appear 后面的默认选项 vertical and on the right，再选择在此断面内的一条曲线，进入草图模式，单击工具箱中的（Create Lines: Rectangle(4 Lines)），以（-0.006，-0.004）和（-0.002,0.005）为两个角点作一个矩形，如图4

5、所示，单击提示区的Done按键，弹出Edit Cut Extrusion 对话框，Type 选为Through All，Extrude direction 方向指向材料内部，生成左固定支架的第二个特征。图4 去除矩形特征的草图图5 做固定支架的孔特征定位图Step 4 执行ShapeCutCircular Hole 命令或者单击工具箱中的( Create Cut: Circular Hole)，Type of hole 选择Through All，选择如图5所示的阴影面作为Hole的创作面，Hole的生长方向为材料内部，选择所选面的左边界（输入定位尺寸0.004）和上边边界（输入定位尺寸0.0

6、03）作为Hole的定位参考，并输入孔的直径为0.002，单击鼠标中间完成左固定支架的第三个特征。Step 5 执行ShapeBlendRound/Fillet命令或者单击工具箱中的(Create Round or Fillet)，选择图5上面两条短边作为倒圆角的对象，单击提示区的Done按键，输入0.003作为倒圆角半径，采用相同的步骤，选择图5中底面两条短边作为倒圆角的对象，输入0.004作为倒圆角半径，最终生成如图6所示的左固定支架完整部件。图6 左固定支架模型图Step 6 重复执行步骤1到步骤5，创建第二个Part，其Name为Part-gudingzhijia-right的右固定支

7、架部件，最终的右固定支架模型图如图7所示。（注意：左、右固定支架是对称的，特征位置不完全一样，但每个特征的尺寸是一样的。）图7 右固定支架模型Step 7 继续创建分析模型所需要的第三个部件，在模型树中单击Part图标，打开Create Part 对话框，设置第三个部件的Name为Part-shouliban(受力板)，Modeling Space为3D，Base Feature 中设置Shape为Solid，Type为Extrusion，Approximate size 为0.05，单机Continue.按键进入草图环境；单击工具箱中的（Create Lines: Rectangle(4 L

8、ines)），以（0.0，0.0）和（0.006,0.02）为两个角点作一个矩形；并以矩形两条边为参考点建立一个直径为0.002的圆，具体尺寸如图8，圆心距离左边0.003，距离下边0.006，单击提示区的Done按键，弹出Edit Base Extrusion 对话框，输入拉伸度Depth为0.0012，单击OK按键，完成拉伸操作，生成受力板的第一个特征。图8 受力板第一个特征草图Step 8 执行ShapeBlendRound/Fillet命令或者单击工具箱中的(Create Round or Fillet)，选择受力板第一特征上面的四条短边作为倒圆角的对象，单击提示区的Done按键，输入

9、0.001作为倒圆角半径，最终生成如图9所示的受力板完整部件。图9 受力板模型图Step 9 继续创建分析模型所需要的第四个部件，单机Part图标，打开Create Part 对话框，设置第四个部件的Name为Part-rigid-jiaolian(刚性铰链)，Modeling Space为3D，Base Feature 中设置Shape为Shell，Type为Revolution，Approximate size 为0.05单机Continue.按键进入草图环境；单机工具箱中的（Create Lines: Connected），过以下两点作一条直线：（0.001,0.0）和（0.001,0.

10、005），单击提示区的Done按键，弹出Edit Revolution 对话框，输入旋转角度360，单击OK按键，创建部件的Part-rigid-jiaolian零件，如图10所示，至此所有用到的四个部件模型全部建立完成。图10 铰链模型图2定义材料属性（Property）Step 10 从Module 列表中选择Property，进入Property模块，单击工具箱中的（Create Material），创建一个名称为Material-steel的材料，弹性模量为2.1E11Pa，泊松比为0.3；单击工具箱中的（Create Section）,创建一个名称为Section-steel的均匀实

11、体截面，材料使用Material-steel；单击工具箱中的（Assign Section）,把截面属性Section-steel分别赋予部件Part-gudingzhijia-left、Part-gudingzhijia-right和部件Part-shouliban。3定义网格划分（Mesh）Step 11 从Module 列表中选择Part,返回Part模块，显示部件Part-gudingzhijia-left，执行ToolsDatum命令，弹出Create Datum 对话框，如图11所示，选择Type为Axis，Method为Axis of cylinder，单击OK按钮，或者单击工具

12、箱中的（Create Datum Axis: Axis of cylinder），根据信息栏中的提示，选择图7上的孔特征，生成Axis datum-1(后面的模型装配要用到此轴线)；执行ToolsDatum命令，弹出Create Datum 对话框，如图11所示，选择Type为Plane，Method为Offset from plane，单击OK按钮，或者单击工具箱中的（Create Datum Plane: Offset From Plane），根据信息栏中的提示，选择图7上的底座上表面为Offset的参考面，选择Enter Value，根据提示选择指向材料内部的方向为生成参考面的方向，单击

13、OK按钮，输入Offset为0.003，单击鼠标中键，完成第一个参考面Datum plane-1的创建（后面的模型分割要用到此参考面）；对部件Part-gudingzhijia-right也按照上述步骤创建相对应的Axis datum-1和Datum plane-1。图11 Create Datum 对话框Step 12 从Part列表中选择Part-shouliban，显示部件Part-shouliban，执行Tools-Datum命令，弹出Create Datum对话框如图11所示，选择Type为Axis，Method为Axis of cylinder，单击OK按钮，或者单击工具箱中的（C

14、reate Datum Axis: Axis of cylinder），根据信息栏中的提示，选择图9上的特征孔，生成Axis datum-1(后面的模型装配要用到此轴线)；执行ToolsDatum命令，弹出Create Datum 对话框，如图11所示，选择Type为Plane，Method为Offset from plane，单击OK按钮，或者单击工具箱中的（Create Datum Plane: Offset From Plane），根据信息栏中的提示，选择图9上显示的面作为Offset的参考面，选择Enter Value，根据提示选择指向材料内部的方向为生成参考面的方向，单击OK按钮，输

15、入Offset为0.003，单击鼠标中键，完成第一个参考面Datum plane-1的创建（后面的模型分割要用到此参考面）。按照上述步骤创建Datum plane-2，其中输入Offset为0.006。Step 13 从Part列表中选择Part-rigid-jiaolian，显示部件Part-rigid-jiaolian，执行ToolsReference Point命令，在图形窗口选择铰链参考点的位置，如图10所示，创建一个参考点RP-1。Step 14 从Part列表中选择Part-gudingzhijia-right，显示部件Part-gudingzhijia-right，执行Tools

16、Partition命令，弹出Create Partition 对话框，如图12所示，选择Type为Cell，Method为Define cutting plane，单击OK按钮，在图形窗口选择整个Part-gudingzhijia-right部件，单击提示区的Done按钮，在选择提示区的3 Points 定义分割面，选择如图13所示的参考点定义分割面，根据提示区按鼠标中键对部件Part-gudingzhijia-right进行分割，重复上述步骤，执行ToolsPartition命令，弹出Create Partition 对话框，如图12所示，选择Type为Cell，Method为Use dat

17、um plane，单击OK按钮，根据信息区的提示选择如图13所示的参考面，右击Create Partition命令或者单击鼠标中键，单击提示区的Done按钮完成Part-gudingzhijia-right的分割；从Part列表中选择Part-gudingzhijia-left，显示部件Part-gudingzhijia-left，按照上述对部件Part-gudingzhijia-right进行分割的步骤，同样对Part-gudingzhijia-left部件进行分割。图12 Create Partition对话框图13 定义分割面的参考点和参考面Step 15从Part列表中选择部件Part

18、-shouliban,显示部件Part-shouliban，执行ToolsPartition命令，弹出ToolsPartition对话框，如图12所示，选择Type为Cell，Method为Use datum plane，单击OK按钮，根据信息区的提示选择在步骤12中生成的第一个参考面Datum-plane-1，右击选择Create Partition命令或者单击鼠标中键，单击提示区的Done按钮，完成部件Part-shouliban的第一次分割，重复上述步骤选择在步骤12中生成的第二个参考面Datum-plane-2，完成部件Part-shouliban的第二次分割。Step 16 从Mod

19、ule列表中选择Mesh，进入Mesh模块，在环境栏Object中选择Part：Part-gudingzhijia-right，单击工具箱中的（Seed Part），弹出Global Seed对话框，输入Approximate global size为0.0004,其他参数选择默认设置，单击OK按钮，完成种子的设置。执行Seed EdgeBy Size命令，用鼠标左键选择如图14所示的区域为Part-gudingzhijia-right局部区域进行网格加密设置，单击Done按钮，输入approximate为0.0002，单击鼠标中键完成种子机密布置；单击工具箱中的(Assign Element

20、 Type)，选择整个部件Part-gudingzhijia-right，单击Done按钮，在Element Type对话框中选择Standard、Linear、3D Stress。单击工具箱中的（Mesh Part），单击提示区的Yes按钮，完成网格划分。图14 网格局部加密示意图Step 17 单击工具箱中的（Verify Mesh），框选Part-gudingzhijia-right的整个模型，单击提示区的Done按钮，弹出Verify Mesh对话框，如图15所示，单击对话框中的Highlight按钮，图形窗口中可以高亮度显示符合条件的单元，同时在信息区显示相应的统计信息；在Type栏

21、中选择Analysis checks，如图16所示，单击Highlight按钮，可以显示求解过程中可能出现错误和警告的单元。经验证没有错误和警告单元出现，单击Dismiss按钮退出Verify Mesh对话框，完成部件Part-gudingzhijia-right的网格划分和网格质量的验证。重复执行步骤16和步骤17，按照相同的步骤完成部件Part-gudingzhijia-left的网格划分和网格质量的验证。图15 Verify Mesh对话框图16 Verify Mesh对话框Step 18 从环境栏Object中选择Part:Part-shouliban，单击工具栏中的（Seed Par

22、t），弹出Global Seed对话框，输入Approximate global size为0.0003,其他参数选择默认设置，单击OK按钮，完成种子的设置。单击工具箱中的(Assign Element Type)，选择整个部件Part-shouliban，单击Done按钮，在Element Type对话框中选择Standard、Linear、3D Stress。单击工具箱中的（Mesh Part），单击提示区的Yes按钮，完成部件Part-shouliban的网格划分，如图17所示。图17 Part-shouliban的网格划分结果Step 19单击工具箱中的（Verify Mesh），选择

23、整个部件Part-shouliban，单击鼠标中键，弹出Verify Mesh对话框，选定需要验证的选项，单击Highlight按钮，高亮度显示符合设定要求的网格区域，同时在信息区显示相应的统计信息。在Type栏中选择Analysis checks，单击Highlight按钮，可以显示网格的控制情况，如果出现黄色区域（Warnings），最好对网格重新进行划分，如果出现分工色区域（Errors），则必须重新划分网格4. 定义部件装配（Assembly）Step 20 从Module列表中选择Assembly，进入Assembly模块，单击工具箱中的（Instance Part），选择部件Par

24、t-gudingzhijia-left、部件Part-gudingzhijia-right、部件Part-shouliban和部件Part-rigid-jiaolian（单击第一个往下拖动鼠标），并在Intance Type项下选择Dependent(mesh on part)单选按钮，单击OK按钮，完成Instance的创建。Step 21 执行ConstraintFace to Face命令或者单击工具箱中的（Create Constraint: Face to Face），选择如图19所示的实体Part-gudingzhijia-right的右面和实体Part-shouliban的右面，

25、根据图形窗口选择实体Part-shouliban右面的方向箭头和实体Part-gudingzhijia-right右面的方向箭头相同，两个面的法向距离选择默认的0.0，单击鼠标中键；执行ConstraintCoaxial命令或者单击工具箱中的（Create Constraint: Coaxial），选择实体Part-gudingzhijia-right的孔特征和实体Part-shouliban的孔特征，根据图形窗口选择实体Part-gudingzhijia-right的方向箭头和实体Part-shouliban的方向箭头相同，单击OK按钮，完成这两个实体的装配。按照上述同样的步骤，执行Cons

26、traintFace to Face命令或者单击工具箱中的（Create Constraint: Face to Face），选择如图19所示的实体Part-shouliban的右面和实体Part-gudingzhijia-left的右面，完成面对面的装配；执行ConstraintCoaxial命令或者单击工具箱中的（Create Constraint: Coaxial），选择实体Part-gudingzhijia-left的孔特征和实体Part-shouliban的孔特征，根据图形窗口选择实体Part-gudingzhijia-left的方向箭头和实体Part-shouliban的方向箭头相

27、同，单击OK按钮，完成这两个实体的装配。5. 定义接触（Interaction）Step 22 从Module列表中选择Interaction，进入Interaction模块，为定义分析模型中各个实体之间的接触关系，需要创建6个集合面（后面定义三个接触面对时将用到），执行ToolsSurfaceCreate命令，弹出Create Surface对话框，输入几何集的名字为Surf-all-hole-jiaolian，单击Continue按钮进入图形窗口选择环境，选择实体Part-gudingzhijia-lef、实体Part-gudingzhijia-right、和实体Part-shouliba

28、n上的孔特征（按住Shift键依次单击选择），单击提示区的Done按钮，完成几何集Surf-all-hole-jiaolian的创建；采用相同的步骤，依次创建如图18所示Surface Manager对话框中另外的5个几何面集，最终完成定义3个接触面对所需的6个几何面集合。图18 Surface Manager对话框图19 创建定义接触面对几何模型图Step 23 执行InteractionPropertyCreate命令，或者单击工具箱中的（Create Interaction Property），弹出Create Interaction Property对话框，如图20所示，在对话框中输入

29、接触属性名称InProp-contact，Type选择Contact，单击Continue按钮，进入Edit Contact Property对话框，执行对话框中的MechanicalTangential Behavior命令，接受默认设置，执行对话框中的MechanicalNormal Behavior命令，接受默认设置，单击OK设置，定义一个切向无摩擦和法向默认为硬接触的接触属性。图20 Create Interaction Property对话框Step 24 执行InteractionCreate命令，或者单击工具箱中的（Create Interaction），在Create Inte

30、raction对话框中输入接触名称Int-gudingzhijia-left-shouliban，分析布选择为Initial，Type for Selected Step选择Surface-to-surface contact(Standard)，单击Continue按钮，在图形窗口中单击信息提示区后面的Surface按钮，在Region Selection对话框中选择Surf-gudingzhijia-left-shouliban作为主接触面，单击Continue按钮，在图形窗口中单击信息提示区的Surface按钮，在弹出的Region Selection对话框中选择Surf-shoulib

31、an-gudingzhijia-left作为从接触面，单击Continue按钮，弹出Edit Interaction对话框，各项设置如图21所示，单击OK按钮，完成实体Part-gudingzhijia-left和实体Part-shouliban的接触关系的设置。定义了接触关系的住接触面和从接触面上显示黄色的小方块，表示这些面之间定义了接触关系；按照上述步骤完成接触面对Surf-gudingzhijia-right-shouliban（主接触面）和Surf-shouliban-gudingzhijia-right(从接触面)以及接触面对Surf-jiaolian-all-hole（主接触面）和

32、Surf-all-hole-jiaolian（从接触面）的定义，接触名分别为Int-gudingzhijia-right-shouliban 和Int-jiaolian-all-hole。图21 Edit Interaction对话框6. 定义分析吧（Step）Step 25 从Module列表中选择Step，进入Step模块，单击工具箱中的（Create Step），创建一个名称为Step-contact的通用静态分析布（Static, General），分析步描述为Set up steady contact relation，其他接受默认设置即可；创建另一个名称为Step-load的通用静

33、态分析步（Static, General），分析步描述为Throw load on the model,其他接受默认即可。Step 26 为输出结果创建几何集，执行ToolsSetCreate命令，弹出Create Set对话框，输入几何集的名字Set-output-disps,单击Continue按钮进入图形窗口，选择实体Part-gudingzhijia-right和实体Part-shouliban孔特征内部所有的四个几何点，并选择实体Part-gudingzhijia-right前面两个几何点，如图22所示，单击提示区的Done按钮，完成几何集Set-output-disps的创建；采用

34、相同的步骤，创建另外两个几何集，分别命名为Set-fixed-faces和Set-monitor，其选择的几何面（实体Part-gudingzhijia-left和实体Part-gudingzhijia-right的底面）和点（实体Part-gudingzhijia-right上部的一个几何点）如图22所示。图22 创建输出结果几何集模型图Step 27 执行OutputField Output RequestsManager命令，弹出Field Output Requests Manager对话框，单击Edit按钮，进入Edit Field Output Request对话框，输入CSTRE

35、SS,CDISP,S,U,单击OK按钮，单击Dismiss按钮，退出对话框；执行OutputHistory Output RequestsManager命令，弹出History Output Requests Manager对话框，单击Edit按钮，进入Edit History Output Request对话框，Domain选择Set:Set-output-disps,删除Output Variables中的Energy选项，并输入U1，U2，U3，单击OK按钮，单击Dismiss按钮，退出对话框。Step 28 执行OutputDOF Monitor命令，弹出DOF Monitor对话框，

36、勾选Monitor a degree of freedom throughout the analysis复选框，单击Region后面的Edit按钮，单击图形窗口信息提示区后面的Points按钮，在弹出的Region Selection对话框中选择几何集Set-monitor，单击Continue按钮，在Degree of freedom后面输入2，即监视2方向的自由度，如图23所示，单击OK按钮。图23 DOF Monitor对话框7. 定义边界条件与载荷（Load）Step 29 从Module列表中选择Load，进入Load模块，执行BCCreate命令，或者单击工具箱中的（Create

37、 Boundary Condition），弹出Create Boundary Condition对话框，如图24所示，在对话框中输入边界条件名称BC-fixed，Step选择Initial，在对话框中选择Mechanical: Symmetry/Antisymmetry/Encastre，单击Continue按钮，单击图形窗口信息提示区后面的Sets按钮，在弹出的Region Selection对话框中选择Set-fixed-faces,单击Continue按钮，在Edit Boundary Condition对话框中选中ENCASTRE复选框，单击OK按钮，完成了右固定支架底面边界条件的设定

38、。图24 Create Boundary Condition对话框Step 30 继续按照上述步骤创建一个新的边界条件，名称为BC-noslip，Step选择Initial，在对话框中选择Mechanical: Displacement/Rotation，单击Continue按钮，在弹出的Region Selection对话框中选择图形界面下的刚性铰链的参考点，单击Continue按钮，在Edit Boundary Condition 对话框中选中所有的复选框，单击OK按钮，单击边界条件BC-noslip 在分析步Step-load中的Propagated，单击对话框右部的Edit按钮，去除E

39、dit Boundary Condition对话框中U2和U3前面的复选框选项，Propagated变为Modified，即修改了该分析步的边界条件。Step 31 继续按照上述步骤创建另外一个新的边界条件，名称为BC-constraint，Step选择Initial，在对话框中选择Mechanical: Displacement/Rotation，单击Continue按钮，再单击图形窗口信息提示区后面的Sets按钮，在弹出的Region Selection对话框中选择Set-monitor，单击Continue按钮，在Edit Boundary Condition对话框中选择中U1，U2和U3复选框，单击OK按钮，单击边界条件BC-constraint在分析步Step-load中的Propagated，单击对话框右部的Edit按钮，去除Edit Boundary Condition对话框中U2前面的复选框选项，Propagated变为Modified，单击Dismiss按钮，完成分析模型的所有边界约束条件。Step 32 执行