ANSYS锥形夹头过盈装配分析

ANSYS

本文分析一个处于工作中的锥形夹头,锥形夹头属于一种机械常用装置,其主要采用套筒挤压夹片从而夹持试件,其中在套筒与夹片之间以及夹片与试件之间均存在摩擦力,当试件拉动时可以得到摩擦力的大小,从而获取整个机械装置的承载拉力。模型透视图如下图所示:

透视图

模型采用ANSYS直接建立,在建立过程中需要注意此模型可以直接旋转而成,因此在建模的过程中可以先建立模型的剖面,如下图所示:

剖面建立

剖面建立

之后选择MESH200单元进行网格划分,划分完成之后采用VROTAT直接旋转形成有限元模型,完整的有限元模型如下图所示:

有限元模型

有限元模型

在使用VROTAT命令之前还需要使用EXTOPT命令设置单元和材料参数,本模型由于全是是实体,因此全部设置为SOLID185单元,同时设定相应的材料参数,材料参数见下表所示:

构件名称 弹性模量 泊松比 摩擦系数
试样 1.90E+11 0.3 0.2
夹片 2.05E+11 0.3 0.2
套筒 1.95E+11 0.3 0.2

摩擦系数的设置直接采用下面的APDL即可:

模型的建立也可以采用常用的三维建模软件,比如可以在CAD或者CATIA中建立,这样可以简化建模的难度,在CAD中建模如下图所示:

CAD模型

CAD模型

模型建立完成之后需要在接触部分生成相应的接触单元,由于本模型具有较大的滑移,因此选择面—面接触,接触单元和目标单元分别定义为CONTA173和TARGE170单元,这里注意的是,在接触模型建模的过程中不要轻易的使用压缩节点命令,因为同一个接触面上必须生成两种单元,如果合并,则模型会“粘结”在一起,将不是接触。在接触的设置过程中,应注意如下要点:

  • 应指定高阶的基础单元所在面作为接触面;
  • 应指定较硬的面作为目标面,较软的面为接触面;
  • 应指定细网格所在面作为接触面,粗网格所在面为目标面;
  • 当凸面与平面或凹面接触时,应指定平面或凹面为目标面。

根据上面的选择要点选择相应的接触面和目标面,具体的生成过程如下所示:

  1. 选择相应需要生成接触面或者目标面的点;
  2. 根据点选择相应的单元,命令ESLN;
  3. 设定接触单元或者目标单元,设置材料,实常数;
  4. 使用ESURF,ALL命令生成相应的接触单元或者目标单元。

接触面和目标面如下图所示:

接触和目标单元

接触和目标单元

在设置完相应的接触和目标单元之后,就可以施加边界条件并求解,由于此问题为接触以及摩擦问题,因此需要在求解中打开线性搜索和非线性预测命令:

求解过程耐心等待之后即可求解完成,此模型采用位移加载的方式先对套筒强制位移施加过盈力,之后一个荷载步对试件进行强制位移拔出,施加套筒强制位移之后,构件应力如下图所示:

过盈装配Mises应力

过盈装配Mises应力

调整荷载步可以查看拔出过程的内力:

拔出过程Mises应力

拔出过程Mises应力

拔出过程的动画:

拔出过程

拔出过程

PS:关于拔出摩擦力的获取,基本思路就是采用循环获取接触面上所有节点摩擦方向的力,在获取过程中直接累加即可获得相应的拔出力,具体过程需要采用下面APDL循环获取。

APDL代码以如下所示:

模型为测试模型,APDL代码不公开,如有需要请留言。

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