阀门塞子初始间隙处理及接触非线性分析

1、CopyrightANSYS教学算例集阀门塞子初始间隙处理及接触非线性分析撰写：孟志华审核： 校对：2018年09月30日I关键字：间隙装配、接触对、过盈配合、接触初始状态算例来源： 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc529460539 1. 摘要 摘要本算例对一个阀门的塞子装配接触应力做静力非线性分析，由于存在接触，因此需要注意接触对的行为、参数设置和调试。通过对计算结果的分析，得到接触面的初始间隙设置有错误，并合理调整参数设置，使得有初始间隙的装配体能够顺利完成分析。本算例对有几何初始间隙的模型，提出了接触非线性分析中的常见处理技巧。案例描述本装配体阀

2、门本体，塞子零件，材料使用默认的钢材料，阀门本体的四个螺栓孔固定，塞子一段受向上的力作用。阀门与塞子的几何装配体模型，由于建模误差或其他原因，存在初始的间隙0.39mm，而实际工作中则没有间隙。需要通过接触非线性分析，计算其无间隙情况下的结构应力和接触压力。操作步骤启动ANSYS Workbench，打开已有的分析文件首先启动ANSYS Workbench环境。在【File】下拉菜单点击Restore Archive，打开分析文件压缩包“Contact_Interface.wbpz”。检查已创建的分析项目和流程：Workbench环境的主界面中，包含了一个静力分析流程，几何模型已经导入到Mec

3、hanical。注意，该几何模型由于建模误差，导致阀门的孔和塞子之间存在几何间隙。启动静力分析流程，进入Mechanical界面查看连接设置并求解该分析项目中使用了默认的钢材料，无需单独定义或修改，可双击Engineering Data模块，查看材料定义。打开ANSYS Mechanical模块：找到项目流程【Project Schematic】窗口下的静力分析项目，双击其中的【Model】栏目，即打开ANSYS Mechanical模块的界面。修改mehcanical的单位系统：在Mechanical的GUI界面上方菜单栏中，找到【Unit】菜单，并修改单位系统为 Metric (mm,kg

4、,N,s,mV,mA)。注意，在Workbench下，可以随时更改单位系统以便于设置参数或检查，而在求解时，系统会自动将单位制转换到统一的单位制系统下，非常便利。检查已施加的边界条件1：查看左侧目录树中已经创建的边界条件，已有一个“Fixed Support”固定约束条件，并且可以看到该约束作用在阀门的四个螺栓孔面上。检查已施加的边界条件2：查看左侧目录树中已经创建的边界条件，已有一个“remote displacement”远端位移约束条件，并且可以看到该约束作用在塞子的一个端面上。在该约束相应的细节设置面板中，远端位移约束的6个自由度，仅放松ROTZ转动自由度。检查已施加的载荷：查看左侧目

5、录树中已经添加的载荷，已有一个“Force”力载荷，并且可以看到该力是作用在塞子零件的端面上，大小为20N，方向为+Y方向。检查接触设置，并进行求解检查已创建的接触对：点击目录树的Connections，可以看到已经添加了一个接触对，在GUI图形窗口中，相互接触的两个面分别以红色、蓝色显示。另外，在该接触对相应的细节设置面板中，可以检查已经设置的接触行为是“frictionless”无摩擦滑动，并检查目前的接触选项、计算参数等设置。执行求解：在目录树中的【Static Structural】工况栏，使用鼠标右键点击RMBsolve，执行求解。跟踪求解的非线性迭代情况：点击目录树中【Static

6、 Structural】工况下的【Solution】，并在细节设置面板中，将【Solution Information】选择为Force Convergence，查看收敛历程。注意，在本次求解中，仅用一次迭代即收敛，并且在GUI下面的窗口中提示了几个“Warning警告”信息，请自行阅读并思考。查看第一次求解的结果添加整体位移结果：在求解完成后，在目录树的【Solution】栏，用鼠标右键点击，弹出菜单中选择“total”整体位移，如下图，即可完成位移结果的添加。查看整体位移结果：在目录树中，在新添加的整体位移结果栏用RMB（鼠标右键的右键弹出菜单），选择“Evalute all Result

7、s”，即可运算并显示该项结果云图，如下图。求解结果分析和判断：显然，该结果并不合理，位移远超出实际。结合求解时提出的错误警告信息（下图），应该是由于边界条件不合理，导致约束不足产生的警告。但本例中，边界条件已经施加且结构静定，那么原因就是“接触”的定义不合理接触对的几何间隙较大，导致接触对没有产生相互的作用力，相互作用时直接穿透。调整接触参数设置，重新求解修改接触对的接触参数设置：点击目录树的Connections栏，右键RMB，添加接触检查工具“Contact Tool”，右键“Generate Initial Contact Results”。然后在新添加的接触检查工具“Contact T

8、ool”上点右键，生成初始的接触状态检查结果。检查初始接触状态：初始接触状态是指未施加边界条件和载荷时的初始状态，本例题中，初始接触状态的表格如下图显示。显然，黄色区域的Gap间隙为0.3851mm，可能会导致求解问题或者是难于收敛，或者是直接发生穿透。注：每个绑定接触有两列，分别为contact面和target面，这时由于使用了对称“symmetric”行为；无摩擦接触只有一个contact面可以激活，是由于使用了非对称“Asymmetric行为；绑定接触的初始渗透很小，可忽略。修改接触参数设置：在目录树中，重新点击已创建的接触对，并在相应的“细节设置面板”中，重新检查接触对的相关参数设置。

9、此处，设置Interface Treatment = “Add Offset, No Ramping”；“Offset” = 0.39 mm。即，通过接触单元来强行给予接触以间隙或过盈量，正值为过盈（相互靠近）。如此，则可以将几何模型的0.39mm（网格有限元的0.38mm）的间隙予以补偿，使得模型在接触计算前是保持相互紧密接触的状态。注意，此处的修改，并不会让几何模型或网格产生变化。重新求解：再次点击目录树中的相应栏目，并Solve。求解过程中，监控非线性的力残差收敛曲线，如下图，经过5次迭代，完成收敛。查看第二次求解的结果再次查看整体位移结果：在目录树中，再次查看total deformation的结果。发现经过人为添加过盈量来抵消修正几何模型的间隙误差，模型在计算初始就保持了接触的状态，因此更容易收敛。本次求解结果显示正常，装配体之间能够正确的传递接触力。分析小结本算例对一个阀门的塞子装配接触应力做静力非线性分析，由于存在接触，因此需要注意接触对的行为、参数设置和调试。通过对计算结果的分析，得到接触面的初始间隙设置有错误，并合理调整参数设置，认为设定了过盈量