workbench平台下有哪些隐式和显示算法分析模块? 隐式分析or显示分析，怎么选？

过盈配合是一种常用的装配方式。装配后可使零件表面间产生弹性压力，从而获得紧固的联接，过盈配合结构简单，同轴性好，能承受较大的轴向力、扭矩及动载荷。在结构分析中，工程师往往把过盈装配关系简化为绑定接触。其实，现在大部分有限元软件都可以考虑真实的过盈装配关系，即考虑在过盈量，摩擦接触条件下进行孔和轴的受力计算。今天咱们就来捋一捋如何通过ANSYSworkbench计算过盈配合下孔和轴的内力?--01--过盈配合基础知识多个零部件组成的机械结构中都存在装配关系。在设计中，这种装配关系体现为零部件的公差配合，如孔与轴之间尺寸的配合关系。公差配合的目的在于确保零件在装配时达到预期的功能要求。设计中，根据孔与轴之间尺寸关系的不同，公差配合可以分为三种基本形式：过盈配合，过渡配合，间隙配合，如下图所示。图1公差配合的三种形式对于一个装配体，采用何种公差配合设计，需要根据实际配合的松紧、受力等需求决定。例如，本文介绍的过盈配合(配合关系示意如下图2)，一般用于需要紧密配合的情况，如轴与轮毂的配合、轴承与轴的固定等。其配合特点为:①需要外力才能装配，保证零件之间紧密配合；②适用于需要高强度连接的场合，确保零件在使用过程中不会松动。图2过盈配合示例孔与轴配合中，孔的尺寸减去相配合轴的尺寸，其差值为负时是过盈配合。孔的公差带完全在轴的公差带之下，结合图2，存在如下关系:①最大过盈(Ymax)=|孔的最小极限尺寸-轴的最大极限尺寸|②最小过盈(Ymin)=|孔的最大极限尺寸-轴的最小极限尺寸|③配合公差:允许过盈的变动量配合公差=|Ymin-Ymax|=孔公差+轴公差明白上面的关系后，设计中一般需要进一步考虑过盈量采用多大合适？因为不同过盈量条件下，接触应力分布呈现显著差异。过盈量较小时，应力较为均匀，但可能不足以提供可靠连接。过盈量较大时，接触压力迅速增加，可能超过材料的屈服强度，导致接触面塑性变形或早期失效。比如过盈量过大时，导致接触应力幅值过高，会加速疲劳裂纹的萌生与扩展；而当过盈量控制在合理范围时，接触面应力集中系数会下降，可显著延长疲劳寿命。为确定合适的过盈量，一般需要通过一定的计算获取在一定过盈量下构件因过盈接触而受到的内应力。通常简单的计算可考虑通过理论公式计算，典型的过盈配合公式如下：其中：σ—为接触应力；Δd—为过盈量；d—为接触面直径；E—为弹性模量；ν—为泊松比。除理论公式计算外，目前，通过有限元分析法模拟过盈配合的应力分布，能够进一步优化过盈量设计，本文介绍2种有限元计算方法。--02--接触面偏置法模拟一、案例概况本文以一个圆盘和轴的过盈配合受力计算为例，介绍一下workbench中过盈配合计算方法。案例的中，相关材料参数和边界条件如下:①材料参数轴和圆盘材料均为结构钢，考虑为软件默认材料。二者之间的摩擦系数为0.2.②边界条件轴和圆盘之间的过盈量为0.01mm=10um。该结构为轴和圆盘对称的自平衡结构，仅考虑过盈量的受力计算，在workbench中可打开弱弹簧进行分析。③本例取1/4模型进行分析，模型及尺寸如下:图3轴和圆盘模型二、分析模块及模型设置显然该问题为静力学问题，采用StaticStructural模块进行分析。材料采用软件默认的结构钢，如下图5，因此无需修改。图4静力学分析模块图5软件默认结构钢材料参数双击model进入前处理，此案例设置圆盘内孔为接触面，轴壁为目标面。如下图:图6接触面和目标面设置过盈配合的过盈量为接触的初始穿透量。初始穿透量=几何穿透量+接触面偏移量。此处我们采用接触面偏移的方法模拟过盈配合。因此，建模时实体间的接触应为刚好接触，即将几何穿透量置为零。正因为如上所述，所以我们在接触面设置时将圆盘内孔面作为接触面，通过此接触面的偏置造成孔比轴小的过盈效果，以与实际情况相符。本例中，接触行为为摩擦接触，设置摩擦系数为0.2，同时需如上所述设置接触面的过盈偏置量(offset)0.01mm，如下图所示。图7接触面摩擦系数及偏置量设置与此同时，我们应该将接触的behavior由程序控制改为单向接触(即非对称接触asymmetric)，即只有一个接触对。非对称接触适用于接触的物体可以非常明显地定义接触面和目标面的情况。具体区别可阅读《ANSYS的对称接触和非对称接触概念与应用》一文，以做进一步了解。本例中，我们需要检查穿透量(穿透或间隙的计算结果是存储在接触面上的)，且过盈量非常明确的是通过接触面的偏置设置，因此设置为非对称接触，如下图8。图8将接触面设置为非对称接触由于过盈配合量等于接触的初始穿透量，通过接触面偏置的方式设置过盈量时，我们需要将几何穿透量置为0。为此我们需要检查初始的穿透量。检查之前，首先我们需先划分网格，如下所示。图9网格划分然后，插入接触工具，插入查看初始的物理穿透量，结果如下:图10查看初始穿透量可以看到，穿透量为1.293e-5m,并不等于我们通过接触偏置设置的穿透量1.0e-5m。原因就在于初始穿透中包含了一个很小的几何穿透量2.9298e-006。为了消除几何穿透对总穿透量的影响，我们可以插入如下命令流：图11通过命令流消除几何穿透量图11中命令流:KEYOPT,CID,9,4相当keyopt(9)=4。如下:重新计算穿透量，可以看到总的穿透量等于我们设置的接触偏置量，已忽略了几何穿透的影响。（注意：模型中的几何穿透很多时候是网格划分造成的，划分网格时，ElementOrder最好不要是linear，否则穿透量在可视化显示时不正确）图12消除几何穿透后的初始穿透结果接下来设置边界条件。由于我们采用的1/4实体对称模型，需要插入对称边界条件，此处采用无摩擦支撑可以准确地模拟对称情况。(无摩擦支撑(FrictionlessSupport)仅限制在垂直于表面的方向上的平移运动。)图13设置对称边界条件最后，我们打开大变形和弱弹簧，如下图14。打开大变形的原因在于，此问题中轴和圆盘之间存在滑动的趋势，可能存在较大变形，打开后，结果可更精确。图14打开大变形和弱弹簧三、接触面偏置法计算结果及分析设置完成后即可进行求解，结果如下：图15等效应力结果图16总变形结果从图15可以看出，等效应力最大的部位在圆盘内口的边部，存在边缘效应。以上求解过程中，我们加载过盈量是按照接触面的偏置一次性加载（Addoffset,NoRamping），对于复杂模型，这可能造成收敛困难。为此，为增加收敛性，可们可以在接触设置中，将其改为线性加载，即选择AddOffset,RampedEffects。图17更改过盈量偏置表面处理方式同时，我们打开自动时间步。设置相应的子步。图18分析步设置计算后，加载情况和结果如下。可以看出，过盈配合的加载为线性加载，结果未发生变化，但这种方式更容易收敛。图19更改表面处理方式后的结果接下来，我们可以查看计算后的穿透量，在solution下插入接触工具，再在接触工具下插入穿透，结果如下图：图20接触穿透结果可以看到，最大穿透量在3.006e-7m,这与接触偏置设置的穿透量1.0e-5m小两个数量级。实际上，当我们在过盈配合分析时，如果计算后的穿透量太大，会造成实际计算出来的结果偏小。原因就在于实际施加的过盈量=偏置设置的穿透量-计算的穿透量，相当于际施加的过盈量小了。此例中，过盈配合接触面始终是接触在一起的，因此在计算时我们可以将接触算法改为法向拉格朗日法，计算结果将更准确。设置及计算结果如下：图21更改接触算法为法向拉格朗日后的结果可以看到，此时的接触穿透非常小，相应的求得的最大等效应力由216MPa变为了231MPa，最大变形由8.07e-6m变为了8.4e-6m。说明减小穿透量，可得到更精确的结果。以上便是过盈配合通过接触面偏置的分析方法，采用这种方法的好处在于无需在建模的时候就考虑过盈量。接下来，我们采用几何模型过盈的方法分析该案例。--03--几何模型过盈法模拟采用几何模型过盈法时，在建模时需要将圆盘的内半径减小一个过盈配合的量，即内半径=10mm-0.01mm=9.99mm,模型修改后如下：图22更改模型尺寸修改模型后，进入model模块下的界面。在接触设置时，我们需要将offset选项设置为零，如下图23所示。此时的初始接触穿透量正好为模型的过盈量0.01mm。图23接触设置及初始穿透量图24模型上显示的穿透模型的边界条件和其他设置同第一种方法，此处不再赘述。设置完成后，求解。结果如下图所示。图25等效应力结果图26总变形结果图27计算后的接触穿透从以上结果可以看出，采用几何模型过盈计算所得的最大等效应力为232MPa，最大变形为了8.4e-6m。结果与接触面偏置法计算的结果是一致的。以上案例中，在接触面过盈法介绍时，可以看到采用默认的接触算法(增强拉格朗日算法)得到的接触压力和相关应力是偏小的。如果我们需要准确获得接触压力和相关应力，一是可以细化接触网格，二是要使用法向拉格朗日接触算法。--04--过盈配合理论公式计算结果对比本案例，可以采用基础知识部分讲到的理论公式计算过盈配合的内应力：可以看到，相比有限元计算结果232MPa，通过典型的过盈配合理论公式计算的结果偏小，两者偏差约2.4%。这是因为，上述理论公式中并未考虑摩擦、应力集中等的影响。从有限元计算的应力分布可以看出，等效应力最大的部位在圆盘内口的边部，存在边缘效应现象（应力集中）。因此，可以看出通过有限元分析法模拟过盈配合的应力分布，能够进一步优化过盈配合的设计。好了，今天就和大家分享到这里，还请点赞、收藏和转发，感谢老铁支持！来源：薛定谔的Cube