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1、第19卷第6期机电产品开发与创新Vol.19,No.6·制20造06业年信11息月化·Development&InnovationofMachinery&ElectricalProductsNov.,2006应用ANSYS求解赫兹接触问题李峰,赵杰(北京石油化工学院机械工程系,北京102617)摘要:以点—面接触为例,运用ANSYS对两长圆柱体的接触问题进行分析。在分析中估算接触区域,并对该接触区域进行局部网格细划,保证计算结果的精度要求同时减少系统的资源消耗;在计算中,选取了三种不同的接触刚度分别进行分析,并将分析结果与赫兹理论解进行比较,证明ANSYS在求解接触问题时能得到更精确的
2、解。关键词:ANSYS;赫兹接触;有限元分析中图分类号:TH123.4文献标识码:A文章编号:1002-6673(2006)06-076-031.2点─面接触单元0引言点─面接触单元主要用于给点─面的接触行为建接触分析能解决典型的状态非线性问题,在工程实模,使用这类接触单元,不需要预先知道确切的接触位践中应用广泛[1]。由于传统赫兹理论是在许多假设的前置,接触面之间也不需要保持一致的网格,并且允许有提下推导出的近似解,而在许多场合这些假设是不成立大的变形和大的相对滑动。的,因此运用赫兹理论来解决接触问题存在一定的局限ANSYS提供了多种接触分析的单元类型,性[2]。ANSYS则能解决所
3、有赫兹接触问题,并且计算结Contact26、Contact48、Contact49这三种接触单元都果精度较高[3]。用ANSYS软件分析接触问题前需先明确能分析点—面接触问题,其中Contact48和Contact49这如何合理选择接触单元及接触分析的基本步骤。本文旨两种单元支持大滑动、大变形以及接触部件间可以采用在以点—面接触为例,运用ANSYS对两长圆柱体的赫不同的网格;Contact26这种单元用来模拟柔性点─刚兹接触问题进行分析。性面的接触,对有不连续的刚性面接触问题,不推荐采用Contact26,因为可能导致接触的丢失,在这种情况1点-面接触单元介绍下,Contact48通
4、过使用伪单元算法能提供较好的建模1.1接触分类能力。接触问题是高度非线性,需要较大的计算资源,为1.3使用点─面的接触单元了进行更加有效的计算,理解问题的特性和建立合理的在ANSYS程序中点─面的接触是通过跟踪一个表模型非常重要[4]。接触问题存在两个较大的难点:其一,面(接触面)上的点相对于另一表面(目标面)上的线在用户求解问题之前,用户不知道接触区域;其二,大或面的位置来表示的,程序使用接触单元来跟踪两个面多的接触问题需要计算摩擦,可供挑选的几种摩擦定律的相对位置,接触单元的形状为三角形,四面体或锥和模型都是非线性的,摩擦使问题的收敛性变得困难。形,其底面由目标面上的节点组成,而顶
5、点为接触面上为了给接触问题建模,首先必须认识到模型中的哪的节点。点─面接触分析的基本步骤是:①建模并划分些部分可能会相互接触,如果相互作用的其中之一是一网格;②识别接触对;③生成接触单元;④设置单元关点,模型的对应组元是一个节点。如果相互作用的其中键字和实常数;⑤给定必须的边界条件;⑥定义求解选之一是一个面,模型的对应组元是单元,有限元模型通项;⑦求解;⑧查看结果。过指定的接触单元来识别可能的接触对,接触单元是覆2ANSYS求解赫兹接触问题盖在分析模型接触面之上的一层单元。通过求解两长圆柱体在平行于轴线方向上带摩擦接收稿日期:2006-10-26触问题,可以对有限元分析结果和传统的赫兹
6、理论的计作者简介:李峰(1979-),男,山东日照人,讲师。主要研究算结果进行比较。方向:优化设计与仿真研究。76·制造业信息化·2.1几何模型直径分别为:D1=Φ20mm;D2=Φ26mm的两个长圆柱体,材料均为GCr15,在平行于轴线方向上带摩擦接触,单位长度上的作用力F=3200N/mm,该力将两长圆柱压在一起,如图1所示,求取接触区域尺寸和应力、变形。另外,通过调整不同的接触刚度值比较结果,说明在接触分析中法向接触刚度是否合理选取严重影响计算mm、30000N/mm、300000N/mm。求解结果列于表1的精确性和问题中。表2为单元接触刚度为30000N/mm时,ANSYS求的
7、收敛性。解的XY剖面内接触区及附近外表面节点的解。2.2计算模型表1中KN—法向接触刚度;N—迭代次数;S—渗由于对称关系,可取截面1/4并取垂直于轴线方向透量;Ra—利用ANSYS求解的矩形接触区域半宽;单位厚度的薄片为研究对象。为了合理划分单元,将两Rh—利用赫兹理论求解的矩形接触区接触区域半宽;圆柱体接触区域进行初步估σa—利用ANSYS求解的接触区最大应力;σh—利用赫计,如图2所示,V3和V4分表1赫兹接触计算结果和ANSYS有限元分
