【《孔轴模型过盈配合的有限元模型分析案例》2800字（论文）】

V孔轴模型过盈配合的有限元模型分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u1804孔轴模型过盈配合的有限元模型分析案例 1172421.1接触问题概述 198101.2LS-DYNA有限元分析软件介绍 2298731.3孔轴模型的建立 299681.3.1孔轴模型的建立及网格划分 2283051.3.2过盈量设置 564631.3.3材料参数设置 5323691.3.4约束条件及加载条件 585391.3.5接触设置 5313751.3.6后处理 6155661.3.7有限元分析基本流程与单位制选择 61.1接触问题概述接触问题包括摩擦过程的接触和碰撞两类问题。在孔轴压力装配过程中，存在接触的不可预测性等很多因素造成实际受力分析结果为非线性的。在初始压入阶段，轴从未接触状态到接触状态，接触刚开始的应力集中现象可能大于材料的屈服应力，使得接触界面的受力包括弹塑性的变化；在压入过程中，由于接触面积的不断变化，接触面的不断增加，在接触过程中造成的压力变形，接触压力分布不均；摩擦过程中接触面的变形导致接触面积的变化，接轴在压入过程中出现转动等一系列问题都是导致非线性存在的原因。有限元分析软件对于接触、碰撞等非线性有很大作用，通过有限元软件进行模型建立以及求解，可得模型的近似解。归根结底，接触界面的非线性主要影响因素：接触的不确定。即在不同时刻对应发生接触的零件运动状态，由于前一时刻运动是否使材料已将发生形变，只有在接触求解时刻才能确定接触的实际状况。接触的非线性。接触过程中物体接触界面相互作用，由于过盈量的引入，材料性质改变等影响，对于接触判断与计算都比较复杂。由于以上原因，使得对于接触过程需要对每一时间步长进行接触检测。接触问题的求解一般采用试探-校验的迭代方法进行求解[28]。具体步骤如下：根据初始条件，刚度矩阵等计算出的迭代的结果和此时的运动状态，检查此刻的接触状态，建立新的接触关系。在该时刻判断接触类型，对发生接触的结点进行动力学方程的求解。如果接触结果满足校验条件，则完成本次求解并加载下一时间步长进行计算，直到接触界面的求解都满足校验要求，依次循环直到达到设定的时间，结束并输出最终结果。如果不满足条件，则结果可能发生不收敛情况，停止求解，输出结果报错。1.2LS-DYNA有限元分析软件介绍LS-DYNA应用范围广泛，它是一款有限元力学分析软件，能够生产过程中各种复杂的力学问题，在航空航天、汽车、机械制造、建筑、材料等行业都有广泛应用。LS-DYNA软件对非线性问题处理方面有很大的优势，它的算法有Lagrangian算法、ALE算法和Euler算法。LS-DYNA在非线性动力学有很大的优势，可以模拟静态仿真和动态仿真，同时包括显示分析和隐式分析[29]。LS-DYNA软件自带前处理器，求解器，后处理器三部分组成。在前处理界面有不同类型的关键字，不仅可以对实际模型进行建立与网格划分，同时可以对模型进行材料，约束等关键字进行条件设置。分析计算可按照设置情况进行求解计算。计算结果通过后处理界面显示，可观察孔轴模型在压入过程的应力应变情况，观察不同时间对应压入力的大小以曲线方式显示出来。1.3孔轴模型的建立1.3.1孔轴模型的建立及网格划分对于有限元的仿真，求解的精准在于模型的建立，网格划分及参数设置。根据主从面一般的定义原则：将孔定义为主面，轴定义为从面，将孔的网格密度划分进行加密，轴的网格密度划分稀疏。在LS-PREPOST界面通过blockM关键字进行孔和轴模型的建立，进行处理并划分好网格。网格划分的质量直接决定求解的准确性与收敛性，网格密度过密，使求解时间加长；网格稀疏，求解速度提高，求解准确度不高。网格划分越乱，单元种类越多，会对求解造成影响，使求解不收敛，直接导致计算失败。合适的网格密度对于求解问题很重要。具体模型建立过程如下：如图3-1中为BlockM关键字设定界面。在Indexlist和positionlist中进行模型初始化建立，Index设定的参数间距决定网格的密度，position设定的参数决定实物模型大小。position中的间距差是实际模型的长度，对应Index中的间距差为实际间距划分的网格格数。图3-1computationwindow窗口经过多次仿真与模型建立，为了仿真结果的准确性以及高效性，对孔模型选择网格间距为30，轴模型选择间距为20，轴模型使用蝴蝶形网格，网格质量比较高。通过BlockM界面中的computationwindow进行初始模型的切割位置，在Del选项中实现切割，在computationwindow窗口选中所需投影表面，在Project选项中进行投影，最终通过投影形成所需模型。这里的投影是通过选中模型的面对外部添加的圆柱面，球面等进行贴合，将模型的表面映射成圆柱面或球面。从模型面到投影面的网格划分由computationwindow界面中的索引间距决定。投影结果如图3-2所示。图3-2投影图当直接将轴压入孔中会出现应力集中，使接触端口出现过大变形且压入力急剧增大。孔轴模型对于倒角的建立是有必要的。同理，利用投影原理对孔轴模型进行倒角的建立。投影前需通过计算引入倒角度数的半径确定投影圆柱面的半径，把模型边缘线进行投影即可得到所需倒角。孔轴模型的倒角投影完成后的图3-3和图3-4。图3-3孔倒角图图3-4轴倒角图经过切割，投影等操作最终生成孔轴模型总固体单元个数173600，节点个数为252738。单元属性为SOLID（恒应力固体单元），孔轴模型如下图3-5。图3-5孔轴模型图1.3.2过盈量设置过盈量设置:在仿真模型中，在建立孔轴模型时直接加入过盈量，设定孔的直径为49.883mm，轴的内径为50.0157mm，过盈量为0.1327mm。1.3.3材料参数设置材料属性：在LS-DYNA中材料选项卡中选择24号片段线性材料即：*MAT-PIECEWISE-LINEAR-PLASTICITY，在卡片中设置材料的编号MID、弹性模量、密度、泊松比，设定完成后在对应的part零件上选择定义材料的编号。仿真中设置材料为铝合金6061，在对应关键字卡片中输入相关参数，为后续模型设置做基础。1.3.4约束条件及加载条件边界条件：在软件中对孔一侧端面所有节点进行约束，禁止孔模型在压入过程中位移或旋转。使用*BOUNDARY-SPC-SET将孔的一侧端面完全固定。位移加载条件：使用*BOUNDARY-PRESCRIBED-MOTION-SET对轴的一端所有节点施加位移约束，让轴以固定速度压入孔中。1.3.5接触设置在仿真中采用自动面面接触方式。面面接触采用的关键字为CONTACT-AUTOMATIC-SURFACE-TO-SURFACE。设置静摩擦力FS=0.07，动摩擦系数FD=0.04。在LS-DYNA中算法包含动力约束法、分配参数法、罚函数法三种方法。在孔轴零件压装过程中采用接触算法为罚函数法。罚函数像弹簧一样，正常情况下未被压缩时，处于初始状态，且受力为0；当被压缩时，会产生相应的力使压下去的压缩量回到最初位置。在轴压入孔的过程中，设置每一时间步长结束，对轴定义的网格中的节点去接触搜寻主接触面的网格单元，然后根据给定接触条件判断接触的状态，若轴的节点穿透接触界面时，罚函数会施加法向力作用在从节点，使孔轴始终在表面进行接触[30]。1.3.6后处理后处理操作：在*DATABASE关键字设置BINRY-D3PLOT动画，可查看轴在压入过程中接触界面的应力应变等变化，在ASCII-option中设置RCFORC卡片，用于对压装过程中接触界面摩擦力进行显示。1.3.7有限元分析基本流程与单位制选择对于实现一个模型的有限元仿真，其步骤是：首先建立有限元模型，然后在LS-PREPOST界面进行孔轴模型的材料属性、边界加载、接触等条件的设置，最终在LS-DYNA软件上进行求解，求解完成在将求解文件在LS-PREPOST显示结果。通过前面知道接触问题的特性，对于有限元仿真具体在进行处理接触问题的原理如下，简要流程图如图3-