Workbench接触分析教程

Workbench -Mechanical Introduction Introduction作业3.131接触控制作业3.1 –目标Workshop Supplement •作业3.1调查了一个简单组件的接触行为。

目的是为了说明由于不适当接触导致的刚体运动是怎么产生的。

•问题描述：问题描述–模型从一个简单Parasolid组件文件获得–我们的目标是在组件的各部件中建立接触，查看非对称加载对结果有何影响我们的目标是在组件的各部件中建接触，查看非对称加载对结果有何影响作业3.1 –假设Workshop Supplement •假设arm shaft 和side plate上的孔间的摩擦忽略不计，同样arm shaft 和stop shaft 之间的接触也忽略不计。

最后假设stop shaft固定在两个side plate之间。

之间Arm ShaftSide PlateSide PlatepStop Shaft作业3.1 –Project SchematicWorkshop Supplement •打开Project page（项目页）•通过“Units” 菜单确定：–Project单位设置为“US Customary (lbm, in, s, F, A, lbf, V).–选择“Display Values in Project Units”. . .作业3.1 –Project SchematicWorkshop Supplement1.在Toolbox（工具箱）中双击Static Structural建立新的分析系统1.2.Geometry上点击鼠标右键选择2在Import Geometry导入2.Contact_Arm.x_t文件作业3.1 –前处理Workshop Supplement3.双击Model打开Mechanical application.3.4.设置作业单位制系统：Units>U S Customary(in lbm lbf°F s V A)–Units > U.S Customary (in, lbm, lbf, F, s, V, A) 4.. . .作业3.1 –前处理Workshop Supplement5.在Connections上点击鼠标右键选择Rename Based on Definition5.•在各个部件彼此之间都定义了接触。

ANSYSWorkbench接触分析案例详解本⽂由Workbench⼩学⽣授权转载这篇⽂章囊括了接触分析中常见的问题，并通过思考和验证，给出了解决⽅案和经验总结，相信朋友们按照这篇教程完整的⾛⼀遍分析过程，会对接触分析的理解更近⼀步。

1.建模。

条件：⼀个圆盘与⼀个矩形板，⽣成壳体。

注意：两者分析之前未接触。

2.选取材料。

进⼊材料库，选取⾮线性材料中的铝合⾦（Aluminum Alloy NL）注意：NL表⽰Nonlinear ，译为⾮线性。

3.进⼊分析模块，调出Properties选项4.修改分析类型，将Analysis type由3D改为2D5.双击Model进⼊分析界⾯，修改矩形板的材料为Aluminum Alloy NL，圆盘默认为结构钢（Structural Steel）6.参数设置（1）根据左侧outline依次向下添加（由于此分析不⽤添加局部坐标系，因此修改完材料属性后，直接添加接触）（2）⼯况：矩形板与圆盘为摩擦接触（也可使⽤⽆摩擦接触，读者可以亲⾃尝试）（3）接触⾯为圆盘外圆周，⽬标⾯为矩形板顶边，设置摩擦系数为0.15（4）由于模型为刚-柔接触，因此修改behavior为⾮对称（Asymmetric）（5）在advanced中将接触算法设置为增⼴拉格朗⽇（Augmented Lagrange）（6）探测⽅法设置为⾼斯点探测（on Gauss point ）注意：①由于两者的材料都是⾦属，因此摩擦系数 ≤0.2②⾮线性分析中默认的接触算法为增⼴拉格朗⽇（Augmented Lagrange），线性默认为纯罚函数（Pure penalty）③纯罚函数的收敛性很好，接触刚度对其影响⼤，但是它的穿透性不可控制，⽽增⼴拉格朗⽇收敛性表现为穿透较⼤，迭代次数较多，但其可以在⼀定程度上控制穿透性④⾼斯点与节点探测的区别：⾼斯点：适合⼤多情况，⽹格密度⼩、更精确节点：仅适⽤于⾓接触⑤局部坐标系的添加：如果全局坐标系不是所需要的，就必须添加局部坐标系作为附属坐标系7.划分⽹格（Mesh），选中图中模型，根据模型⾃动划分⽹格8.分析设置（Analysis Setting）（1）打开⾃动时间步（Anto Time Stepping）与⼤变形（Large Deflection）（2）修改载荷⼦步依次为50,50,100后，其他均默认9.添加边界条件（Load or Supports）（1）选中矩形板的下边线，将其设置为Displacement（2）X⽅向数值设置为-15mm，Y⽅向数值设置为0（3）选中圆盘的外圆周，将其设置为Fixed support思考：为什么打开⼤变形开关？答：因为在静⼒学中，极限转动⾓度为10°，⼤位移或者⼤转动即视为⾮线性分析，当受⼒物体的变形与其⼏何尺⼨相⽐较⼤，且线性叠加原理不再适⽤时，可视作⼤变形。

第五章控制程序及监控界面的开发控制系统的效率和性能一方面决定于系统的硬件设计，另一方面在很大程度上取决于应用程序的设计质量。

只有将系统的硬件和软件有机的结合在一起，相辅相成，才能使系统最大程度的发挥效率。

软件是计算机控制系统的神经中枢，控制系统中的控制任务最终是靠软件即应用程序的执行来完成的。

因此软件开发占有相当重要的地位，本实验室自控系统是由三大软件支撑的，分别是利用PLC 编程软件STEP7 V5.2，嵌入式组态软件MCGS，以及虚拟仪器Labview7.0所开发的程序。

STEP7基础软件是用于西门子公司SIMATIC S7、SIMATIC C7和SIMATIC WinAC 等控制系统的标准开发软件，主要用于完成控制程序的开发。

本实验室包含的设备种类多、数量大、各设备间关系复杂。

实验室的操作者要全面、综合和有效地监控、操作和管理试验系统并不是件容易的事情，因此还需要设计合理的控制操作界面，本实验室利用MCGS嵌入式组态软件开发出形象的控制界面，并利用其提供的动画功能仿真试验系统的运行状态。

无论是研究性试验还是本科教学试验，都需要采集大量的数据，并需要对这些数据作分析、存储、曲线显示等，因此本试验室采用Labview开发数据采集程序。

因为他们的界面和和操作模仿物理仪器，如示波器和万用表，所以Labview 程序被称作虚拟仪器，。

在Labview中包含了一系列进行采集、分析、显示的工具，能很快的帮助解决复杂数据采集问题。

通过这些软件的应用，可以构造强大的实验室自控系统。

§5.1控制程序方案确定§5.1.1控制算法的选择随着智能控制技术的发展，不断有空调控制算法方面的报道，现已有模糊控制、神经网络控制、自适应控制、解耦控制在变风量空调系统中的应用的思想，但这些研究成果多为仿真结果，在实际应用还用一定的距离，而PID算法控制简单、抗干扰性好、可靠性高等优点[46]。

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、代码少，可靠性高等优点，使得PID在工程中应用达90%以上。

WorkBench接触解析1.接触的基本概念1.1. 接触的定义两独立表面相互接触并相切，则称之为接触.一般物理意义上, 接触的表面包含如下特性:不会渗透.可传递法向压缩力和切向摩擦力.通常不传递法向拉伸力.可自由分离和互相移动.接触是状态改变非线性. 也就是说, 系统刚度取决于接触状态, 即part之间是接触或分离.1.2. workbench接触类型1)Bonded（绑定）: 这是Workbench中关于接触的默认设置。

如果接触区域被设置为绑定，不允许面或线间有相对滑动或分离，可以将此区域看作被连接在一起，类似于共结点。

因为接触长度/面积是保持不变的，所以这种接触可以用作线性求解。

如果接触是从数学模型中设定的，程序将填充所有的间隙，忽略所有的初始渗透。

2)No Separation（不分离）: 这种接触方式和绑定类似。

它只适用于面。

不允许接触区域的面分离，但是沿着接触面可以有小的无摩擦滑动。

即法向不分离，切向可以有小位移，也只用于线性接触。

3)Frictionless（无摩擦）: 这种接触类型代表单边接触，即如果出现分离则法向压力为零。

只适用于面接触。

因此，根据不同的载荷，模型间可以出现间隙。

它是非线性求解，因为在载荷施加过程中接触面积可能会发生改变。

假设摩擦系数为零，因此允许自由滑动。

使用这种接触方式时，需注意模型约束的定义，防止出现欠约束。

法向可分离，但不渗透，切向自由滑动。

程序会给装配体加上弱弹簧，帮助固定模型，以得到合理的解。

4)Rough（粗糙的）: 这种接触方式和无摩擦类似。

但表现为完全的摩擦接触，即没有相对滑动，法向可分离，不渗透，切向不滑动。

只适用于面接触。

默认情况下，不自动消除间隙。

这种情况相当于接触体间的摩擦系数为无穷大。

5)Frictional（有摩擦）: 这种情况下，在发生相对滑动前，两接触面可以通过接触区域传递一定数量的剪应力。

有点像胶水。

法向可分离，但不渗透，切向滑动，有摩擦力。

实例基于ANSYSWorkbench的轴承内外套的接触分析问题描述轴承外套外半径为30mm,内半径为15mm,另外一端为20mm；轴承内套外半径为17mm，另外一端为12mm，而内径为8mm,内外套高度均为60mm。

当用10N的外力压入内轴承套后，试模拟轴承内外套的受力情况。

（接触摩擦系数为0.2）,内外套材料均取默认的钢材。

问题分析1. 要仿真压入内套时接触面的摩擦应力和正压力，这是一个静力学问题。

因此需要使用静力学分析系统。

2.该问题属于接触非线性，而材料仍旧是线弹性的，但是同时要打开大变形开关进行几何非线性分析。

3.在DM中建模，使用旋转的方式直接创建四分之一模型就可以。

在DM中做好装配关系。

4.设置接触关系，是带摩擦的接触非线性，是外套的内锥面与内套的外锥面发生了接触。

5.使用扫掠方式划分网格。

6.在后处理中使用接触工具查看接触面的摩擦应力和压应力。

求解步骤1.打开ANSYS Workbench2.创建静力学分析系统。

3.创建装配模型。

双击geometry,进入到DM中，设置单位是毫米。

（1）创建轴承外套。

在XOY面内创建截面模型如下图。

围绕Y轴旋转90度，创建四分之一实体模型。

则外套创建完毕。

（2）创建轴承内套。

在XOY面内创建截面模型如下图。

围绕Y轴旋转90度，创建四分之一实体模型。

则生成了两个四分之一体。

退出DM.4.设置接触。

双击MODEL,进入到mechanical中。

选择外套的内面，内套的外面，其接触类型为有摩擦的接触，摩擦系数为0.2.5.划分网格。

对内外套均设置扫掠网格划分，并指定单元尺寸是2mm.网格划分结果如下。

可见，有2万多个节点，从而有6万多个自由度，静力学方程有6万多个。

6.进行分析设置。

打开大变形开关。

7.设置边界条件。

设置对称面约束。

四分之一界面上均为无摩擦支撑。

固定外套的顶面。

给内套顶面施加10N的力。

8.求解。

9.后处理。

查看接触状态。

可见，内套的上半部分在发生接触，而下半部分则没有接触。

前言WokBench是众所周知的好东西，以下是自己琢磨的一个小应用，肯定有不对的地方，欢迎指出，便于大家共同提高。

问题描述这是一个塑料小卡扣的例子，主要想使用WorkBench了解在使用中，塑料件的变形是否足够。

模型是用ProE制作的，为了简化，只切取了关于变形的部分，如下图：其中蓝色的部分是活动的，只有一个方向的运动，红色的部分是固定的。

大体的尺寸如下，单位是毫米：进入WorkBench本人使用的是ProE/WF3.0，直接通过菜单上的WorkBenck即可进入WorkBench了。

接下来，按照图中的1、2、3操作：材料设置之后进入Simulation界面。

第一个事情是设置材质，考虑到蓝色部件没有必要考察变形，因此将它设置为默认的结构钢。

红色部件可以直接选个聚乙烯的材料，如果今后有了明确的材质信息，可以再更改。

接触设置在接触（Connections）中，添加一个手动接触区域注意：在模型中，蓝色和红色部件的距离要控制好（这是由ProE中，模型装配关系决定的），如果太近，软件将自动计算出一个接触区域，但对于这个例子，还需要手动扩大接触区域。

如果距离太远，在手动设置Pinball类型的接触区域时，Pinball的半径要设得很大，可能导致无法计算。

请参考上面的尺寸图纸调节两个部件之间的距离。

之后，设置接触面（2、3）：需要将两个部件在运动过程中，会接触的地方一一标出，千万不要加无用的面。

将Pinball Region设置为Radius方式（4），并将Radius设置一个合适的值（5），本例设置了3毫米（如图，会形成一个蓝色的大圆球），求解的时候软件会使用这个PinBall 自动探测接触。

还需要将接触方式设置为无摩擦的（6）。

最后将接触面计算方式设置为Adjust To Touch（7）。

也可以尝试其他的方式，不过对于这个仅研究红色部件变形的例子就无所谓了。

关于单元格WorkBench中可以不自行划分单元格（在解算的时候，如果没有手动的设置，软件就会先自动划分），软件帮你自动产生。

8例1 螺栓连接件分析如图所示为一螺栓连接的法兰连接件简图，法兰一端及内侧面固定约束。

载荷1为螺栓预应力1000N载荷2为螺栓预应力1500N载荷3为螺栓预应力2000N根据实际情况，自己设定接触类型，其中摩擦类型接触对时，摩擦系数为0.1 为方便设置，材料均取钢材，求其变形及应力。

边界条件螺栓连接件分析1 导入几何模型，进入DS模块2 材料设置选择默认的材料：Structural Steel3 设置接触螺栓与螺母的接触类型为Bonded螺栓杆与法兰的接触类型为Frictional，摩擦系数为0.1螺栓杆与垫片内壁的接触类型为Frictional，摩擦系数为0.1其余接触类型为No Separation4 网格划分5 选择分析类型·在“New Analysis”中选择结构静力学分析“Static Structural”；6 施加约束与载荷1）施加固定约束·点击“Static Structural”，在“Supports”中选择固定约束“Fixed Support”·选择法兰一端及内侧面固定约束；2）施加载荷·选择载荷1处螺栓杆表面，添加螺栓预应力“Bolt Pretension”大小为1000N ·选择载荷2处螺栓杆表面，添加螺栓预应力“Bolt Pretension”大小为1500N ·选择载荷3处螺栓杆表面，添加螺栓预应力“Bolt Pretension”大小为2000N5 设定求解类型1）求解变形·点击“solution”，点击“Deformation”选择“Total”，求解变形·点击“Stress”，选择“Equivalent (V on-Mises)”，求解等效应力6 单击“Solve”求解7 观察求解结果·点击“Total Deformation”查看变形·点击“Equivalent Stress”查看应力分布例2卡紧散热片的不锈钢扣件受力分析扣紧件是一个不锈钢的卡子，因为散热片同功率部件之间的接触力同最终的散热有很大关系，因此研究力的大小是很有意义的。

ANSYS Workbench是ANSYS公司开发的一款工程仿真平台，用于进行多物理场仿真分析。

接触分析是其中一种常见的分析类型，它用于研究和评估两个或多个物体之间的接触行为和力学响应。

下面将详细解释ANSYS Workbench中接触分析的案例步骤：1. 构建几何模型：使用ANSYS DesignModeler或其他CAD软件，创建需要进行接触分析的物体的几何模型，包括接触面和接触区域。

2. 导入模型：将几何模型导入到ANSYS Workbench中，可以使用File > Import或直接将文件拖放到工作区。

3. 定义材料属性：选择需要定义的材料，在ANSYS Mechanical中，可以使用材料库中的材料或自定义材料属性。

4. 定义接触区域：选择接触区域，在Geometry中选择面或体，然后将其分配为接触区域。

可以设置摩擦系数和接触刚度等接触属性。

5. 定义加载：定义加载条件，如力、压力或位移。

可以在Loads下的各个选项卡中定义加载类型、大小和方向等。

6. 设置分析类型：选择需要进行的接触分析类型，在ANSYS Mechanical中，可以选择非线性接触分析或线性接触分析，根据具体情况选择适当的分析类型。

7. 设置求解器选项：在Solver Settings中设置求解器选项，如收敛准则、迭代次数和网格参数等。

8. 网格划分：进行网格划分，确保适当的网格密度和质量，可以使用ANSYS Meshing 或其他网格划分工具。

9. 求解和后处理：运行求解器进行接触分析，并等待求解完成。

完成后，可以使用ANSYS Mechanical中的后处理工具进行结果分析和展示。

10. 结果分析：根据需要，对接触分析的结果进行分析和评估，如接触变形、压力分布、接触压力、挤压量等。

静力学接触分析如图所示，这个模型由四个部分组成，A区域受到一个垂直向下的力100N，B区域被完全固定，管状工件与夹具之间摩擦系数为0.4，其余各接触面的摩擦系数为0.1；此外还要施加螺栓（螺丝直径6mm）预紧力3000N，管状工件的材料为铜合金，其余为结构钢；在静力学分析的条件下，保证螺杆不会失效。

提示：1、接触区的网格划分尽量细化；2、要施加螺栓预紧力就需要对模型进行处理，做出一个切片（如下图）；3、接触区的设置也极为重要。

分析流程：1、导入几何模型（做切片处理）；2、添加材料属性，定义材料；3、划分网格（接触区的网格划分尽量细化）；4、施加载荷和约束（预紧力的施加）；5、求解（在重要零件或截面查看位移、应力）；6、查看结果，得出结论；7、检验结果的正确性。

a、前处理b、求解c、后处理解题步骤：1、 导入模型：打开workbench ，双击static structural ，右键单击A3栏（即geometry ）选择import geometry ，导入Pipe Clamp.x_t 模型，确定单位mm ；2、 切片处理：双击A3栏，进入Pipe Clamp.x_t 模型，如图1所示，新建坐标系（C 面），冻结模型（tools freeze ），在C 面处生成切片（create slice ），再将螺栓的两个solid 通过from new part 生成一个solid ；图1 螺栓切片处理3、 添加材料：返回到unsaved project-workbench 界面，双击A2栏（即engineering data ），双击outline filter 界面的A3栏（即general materials ），添加材料铜合金（即copper alloy ）； 4、 定义材料：双击A4栏（即model ），将管状工件的assignment 设置为copper alloy ，其他材料均为structural steel ；5、 划分网格：单击mesh ，在其下拉菜单中选择preview surface mesh ，产生如图2所示相对粗糙的四面体网格，展开明细栏中的statistics 项目，检查模型节点输与单元数；图2 划分网格（粗糙）图3 statistics 项目6、 网格细分：选择装配图中的接触面，如图4所示，点击鼠标右键选择insert >refinement ，点击preview surface mesh ，观察其网格变化，并检查模型节点输与单元数，如图5、6所示；---------------------------------------------------------------------------------此为第一种方法 点击鼠标右键选择insert> contact sizing ，选择接触面和单元大小-------此为第二种方法图4 选择细化表面图5 网格细化图6 statistics 项目7、施加载荷：单击左侧的static structural，选择A表面，鼠标右键选择insert>force，力的大小设为100N，方向如图7所示；8、施加约束：选择B表面，鼠标右键选择insert>fixed support；9、加预紧力：选择如图所示D表面，鼠标右键选择insert>bolt pretension，设定力的大小为3000N；图7 施加约束与载荷10、添加摩擦系数：选择connections，在明细栏中将type改为frictional，管状工件与夹具之间的摩擦系数设为0.4，其余接触面的摩擦系数均为0.1；图8 设置摩擦面系数11、求解：单击solution，在弹出的工具条中，deformation下选择total查看装配图总变形；stress下选择equivalent stress查看装配图V on Mises等效应力；deformation下选择total查看螺栓总变形；stress下选择equivalent stress查看螺栓V on Mises等效应力；选择body，点击管状工件，鼠标右键选择insert>deformation>directional，查看管状工件X方向上的位移；右键单击solution选择insert，添加contact tool，查看螺栓与夹具在接触面处的frictional stress和pressure.12、查看结果：单击solve进行求解（图解）；图9 装配图在X方向上的总位移图10 装配图Von Mises等效应力图11 螺栓在X方向上位移图12 螺栓Von Mises等效应力图13 螺栓与夹具接触面的frictional stress（摩擦应力）图14 螺栓与夹具接触面的pressure（压力）图15 管状工件在X方向上的位移13、查看报告：单击report preview，查看报告：表1：装配图、螺栓的位移和应力（如图9、10、11、12、15所示）表2：螺栓与夹具之间的受力分析（如图13、14所示）14、分析与结论：两种不同的细化网格对应力的结果产生很大影响（步骤6），但位移基本相同。

5.3 状态非线性分析——接触5.3.9 接触设置综合实例通过前面例子的学习，已经了解了WB中接触设置。

下面以一个2D压片弯曲挤压胶片，胶片再承受密封流体压力的例子综合描述接触分析。

本例包含刚柔接触、自接触、密封流体压力。

1．建立2D模型如图5-3-99所示，建立一个含压模板、压片、胶片的2D模型。

由于压片上端为曲线，且压片与胶片均处于相对自由状态，所以很难精确定义压模板和胶片与压片相切的位置，因此压模板距压片有微小间隙，胶片与压片呈过盈状态。

压模板在整个过程中几乎不变形，而且也不是本分析所关注的目标，所以将其定义为刚体；压片在整个过程中存在大的弯曲变形，其结果将表现为首尾相接触，将其材料定义为非线性铝合金；胶片为橡胶件，整个过程中存在大应变，且胶片内部存在自接触可能，将其本构定义为Ogden 3rd Order类型。

压模板，命名tie，刚体压片，命名Surface Body，材料本构为非线性铝合金胶片，命名rub，材料本构为Ogden 3rd Order图5-3-99 2D模型2．2D模型及材料设置调用WB默认材料库内的非线性铝合金（General Non-linear Materials→Aluminum Alloy NL），新增一个材料，命名为rub，本构选择Hyperelastic→Ogden 3rd Order，9个参数分别为：MU1=0.043438MPa，A1=1.3，MU2=8.274E−5MPa，A2=5，MU3=−0.0006895MPa，A3=−2，D1=0.029MPa^−1，D2=0MPa^−1，D3=0MPa^−1。

在Geometry→2D Behavior处定义为Plane Stress（平面应力），如图5-3-100所示。

– 435 –第5章 非线性静力学分析– 436 – 3．Virtual Topology （虚拟拓扑）设置虚拟拓扑一般用于合并几个不同平面，使其保证为一个有限元拓扑模型，除此之外，还可用于分割模型。

第15章接触问题分析接触问题是一种高度的非线性行为，通常两个独立表面之间相互接触并相切时，称之为接触。

对接触问题进行分析时，需要较多的计算资源。

接触的特点是属于状态变化的非线性，也就是说，系统刚度取决于接触的状态，即部件之间是接触或是分离。

★ 了解接触问题分析方法。

15.1接触问题分析概述从物理意义上讲，接触的表面具有以下特点：相互之间不会渗透（如图15-1所示），可传递法向压缩力和切向摩擦力，通常不传递法向拉伸力，相互之间可自由分离和互相移动。

由于接触体之间是不相互渗透的，因此程序必须建立两表面间的相互关系以阻止分析中的互相穿透，这称为强制接触协调性。

（a）不渗透接触（b）渗透接触图15-1 接触方式15.1.1 罚函数法和增强拉格朗日法对于非线性实体表面接触，可使用罚函数或增强拉格朗日法，这两种方法都是基于罚函数方程的。

在此对于一个有限的接触力F normal存在一个接触刚度k normal的概念，接触刚度越高，穿透量x penetration越小，如图15-2所示。

第15章 接触问题分析对于理想无限大的k normal ，穿透量为0。

但对于罚函数法而言，这在数值计算中是不可能的，但是只要x penetration 足够小，或许可以忽略，且求解的结果也是精确的。

罚函数法和增强拉格朗日法的区别就是后者加大了接触力（压力）的计算。

罚函数法：F normal = k normal x penetration增强拉格朗日法：F normal = k normal x penetration+λ因为额外因子λ的存在，增强拉格朗日法对于k normal 变得不敏感。

增强拉格朗日法通过增加额外的自由度（接触压力）来满足接触协调性，因此接触力（接触压力）作为一个额外自由度直接求解，而不通过接触刚度和穿透计算得到。

normal F DOF =该方法可以得到0或接近0的穿透量，如图15-3所示，这要消耗更多的计算代价。

前面一篇基于Ansys经典界面的接触分析例子做完以后，不少朋友希望了解该例子在Workbench中是如何完成的。

我做了一下，与大家共享，不一定正确。

毕竟这种东西，教科书上也没有，我只是按照自己的理解在做，有错误的地方，恳请指正。

1．问题描述一个钢销插在一个钢块中的光滑销孔中。

已知钢销的半径是0.5 units, 长是2.5 units，而钢块的宽是4 Units, 长4 Units,高为1 Units,方块中的销孔半径为0.49 units,是一个通孔。

钢块与钢销的弹性模量均为36e6，泊松比为0.3.由于钢销的直径比销孔的直径要大，所以它们之间是过盈配合。

现在要对该问题进行两个载荷步的仿真。

（1）要得到过盈配合的应力。

（2）要求当把钢销从方块中拔出时，应力，接触压力及约束力。

2．问题分析由于该问题关于两个坐标面对称，因此只需要取出四分之一进行分析即可。

进行该分析，需要两个载荷步：第一个载荷步，过盈配合。

求解没有附加位移约束的问题，钢销由于它的几何尺寸被销孔所约束，由于有过盈配合，因而产生了应力。

第二个载荷步，拔出分析。

往外拉动钢销1.7 units，对于耦合节点上使用位移条件。

打开自动时间步长以保证求解收敛。

在后处理中每10个载荷子步读一个结果。

本篇只谈第一个载荷步的计算。

3．生成几何体上述问题是ANSYS自带的一个例子。

对于几何体，它已经编制了生成几何体的命令流文件。

所以，我们首先用经典界面打开该命令流文件，运行之以生成四分之一几何体；然后导出为一个IGS文件，再退出经典界面，接着再到WORKBENCH中，打开该IGS文件进行操作。

（3.1）首先打开ANSYS APDL14.5.（3.2）然后读入已经做好的几何体。

从【工具菜单】-->【File】-->【Read Input From】打开导入文件对话框找到ANSYS自带的文件\Program Files\Ansys Inc\V145\ANSYS\data\models\block.inp 【OK】后四分之一几何模型被导入，结果如下图（3.3）导出几何模型从【工具菜单】】-->【File】-->【Export】打开导出文件对话框，在该对话框中设置如下即把数据库中的几何体导出为一个block.igs文件。

ansys-workbench-接触的总结①下⾯对⾮对称⾏为接触表⾯的正确选择给出选择指导:–如果⼀凸的表⾯要和⼀平⾯或凹⾯接触，应该选取平⾯或凹⾯为⽬标⾯.–如果⼀个表⾯有粗糙的⽹格⽽另⼀个表⾯⽹格细密，则应选择粗糙⽹格表⾯为⽬标⾯.–如果⼀个表⾯⽐另⼀个表⾯硬，则硬表⾯应为⽬标⾯.–如果⼀个表⾯为⾼阶⽽另⼀个为低阶，则低阶表⾯应为⽬标⾯.–如果⼀个表⾯⼤于另⼀个表⾯，则⼤的表⾯应为⽬标⾯.②法向刚度WB-Mechanical系统默认⾃动设定。

–⽤户可以输⼊“法向刚度因⼦Normal Stiffness Factor” (FKN) 它是计算刚度代码的乘⼦.因⼦越⼩，接触刚度就越⼩。

默认 FKN =10 (对于绑定和不分离的接触)默认 FKN=10(其他形式接触) 默认 FKN1.0 (其他形式接触)接触问题法向刚度选择⼀般准则:–体积为主的问题: ⽤“Program Controlled”或⼿动输⼊“Normal Stiffness Factor”为“1”–弯曲为主的问题: ⼿动输⼊“Normal Stiffness Factor”为“0.01”到“0.1”之间的数值。

-在⼤变形问题的⽆摩擦或摩擦接触中建议使⽤“Augmented Lagrange”法向接触刚度 knormal是影响精度和收敛⾏为最重要的参数.–刚度越⼤，结果越精确，收敛变得越困难.–如果接触刚度太⼤，模型会振动，接触⾯会相互弹开。

- 其中update stifness 设置可以控制计算收敛与否。

③-刚度增加, 渗透减少，⽽最⼤压⼒增加. 并且通常会有更多的迭代和更长运⾏时间④不管使⽤了何种接触⾏为 (对称或反对称), 模型的变形和等效应⼒本质是相同的. 对称⾏为可以提⾼收敛. 但对称接触结果不容易解释，为接触⾯与⽬标⾯结果的平均值。

0.0032902 0.0033033 0.0033052 0.0033055 0.0033053565.05Mp a 774.12Mp a 811.34Mp a 816.26Mp a 812.78Mp a0.011864 0.0016253 0.0017035 0.000017138 0.00001998417 17 20 24 57⑤在详细窗⼝中⽤户可以选择“Adjusted to Touch”或“AddOffset”-“AdjstedtoToch”让Simlation 决定需要多⼤的接触偏移量来闭合缝隙建⽴初始接触。

静力学接触分析如图所示，这个模型由四个部分组成，A区域受到一个垂直向下的力100N，B区域被完全固定，管状工件与夹具之间摩擦系数为0.4，其余各接触面的摩擦系数为0.1；此外还要施加螺栓（螺丝直径6mm）预紧力3000N，管状工件的材料为铜合金，其余为结构钢；在静力学分析的条件下，保证螺杆不会失效。

提示：1、接触区的网格划分尽量细化；2、要施加螺栓预紧力就需要对模型进行处理，做出一个切片（如下图）；3、接触区的设置也极为重要。

分析流程：1、导入几何模型（做切片处理）；2、添加材料属性，定义材料；3、划分网格（接触区的网格划分尽量细化）；4、施加载荷和约束（预紧力的施加）；5、求解（在重要零件或截面查看位移、应力）；6、查看结果，得出结论；7、检验结果的正确性。

a、前处理b、求解c、后处理解题步骤：1、 导入模型：打开workbench ，双击static structural ，右键单击A3栏（即geometry ）选择import geometry ，导入Pipe Clamp.x_t 模型，确定单位mm ；2、 切片处理：双击A3栏，进入Pipe Clamp.x_t 模型，如图1所示，新建坐标系（C 面），冻结模型（tools freeze ），在C 面处生成切片（create slice ），再将螺栓的两个solid 通过from new part 生成一个solid ；图1 螺栓切片处理3、 添加材料：返回到unsaved project-workbench 界面，双击A2栏（即engineering data ），双击outline filter 界面的A3栏（即general materials ），添加材料铜合金（即copper alloy ）； 4、 定义材料：双击A4栏（即model ），将管状工件的assignment 设置为copper alloy ，其他材料均为structural steel ；5、 划分网格：单击mesh ，在其下拉菜单中选择preview surface mesh ，产生如图2所示相对粗糙的四面体网格，展开明细栏中的statistics 项目，检查模型节点输与单元数；图2 划分网格（粗糙）图3 statistics 项目6、 网格细分：选择装配图中的接触面，如图4所示，点击鼠标右键选择insert >refinement ，点击preview surface mesh ，观察其网格变化，并检查模型节点输与单元数，如图5、6所示；---------------------------------------------------------------------------------此为第一种方法 点击鼠标右键选择insert> contact sizing ，选择接触面和单元大小-------此为第二种方法图4 选择细化表面图5 网格细化图6 statistics 项目7、施加载荷：单击左侧的static structural，选择A表面，鼠标右键选择insert>force，力的大小设为100N，方向如图7所示；8、施加约束：选择B表面，鼠标右键选择insert>fixed support；9、加预紧力：选择如图所示D表面，鼠标右键选择insert>bolt pretension，设定力的大小为3000N；图7 施加约束与载荷10、添加摩擦系数：选择connections，在明细栏中将type改为frictional，管状工件与夹具之间的摩擦系数设为0.4，其余接触面的摩擦系数均为0.1；图8 设置摩擦面系数11、求解：单击solution，在弹出的工具条中，deformation下选择total查看装配图总变形；stress下选择equivalent stress查看装配图V on Mises等效应力；deformation下选择total查看螺栓总变形；stress下选择equivalent stress查看螺栓V on Mises等效应力；选择body，点击管状工件，鼠标右键选择insert>deformation>directional，查看管状工件X方向上的位移；右键单击solution选择insert，添加contact tool，查看螺栓与夹具在接触面处的frictional stress和pressure.12、查看结果：单击solve进行求解（图解）；图9 装配图在X方向上的总位移图10 装配图Von Mises等效应力图11 螺栓在X方向上位移图12 螺栓Von Mises等效应力图13 螺栓与夹具接触面的frictional stress（摩擦应力）图14 螺栓与夹具接触面的pressure（压力）图15 管状工件在X方向上的位移13、查看报告：单击report preview，查看报告：表1：装配图、螺栓的位移和应力（如图9、10、11、12、15所示）表2：螺栓与夹具之间的受力分析（如图13、14所示）14、分析与结论：两种不同的细化网格对应力的结果产生很大影响（步骤6），但位移基本相同。

前言WokBench是众所周知的好东西，以下是自己琢磨的一个小应用，肯定有不对的地方，欢迎指出，便于大家共同提高。

问题描述这是一个塑料小卡扣的例子，主要想使用WorkBench了解在使用中，塑料件的变形是否足够。

模型是用ProE制作的，为了简化，只切取了关于变形的部分，如下图：其中蓝色的部分是活动的，只有一个方向的运动，红色的部分是固定的。

大体的尺寸如下，单位是毫米：进入WorkBench本人使用的是ProE/WF3.0，直接通过菜单上的WorkBenck即可进入WorkBench了。

接下来，按照图中的1、2、3操作：材料设置之后进入Simulation界面。

第一个事情是设置材质，考虑到蓝色部件没有必要考察变形，因此将它设置为默认的结构钢。

红色部件可以直接选个聚乙烯的材料，如果今后有了明确的材质信息，可以再更改。

接触设置在接触（Connections）中，添加一个手动接触区域注意：在模型中，蓝色和红色部件的距离要控制好（这是由ProE中，模型装配关系决定的），如果太近，软件将自动计算出一个接触区域，但对于这个例子，还需要手动扩大接触区域。

如果距离太远，在手动设置Pinball类型的接触区域时，Pinball的半径要设得很大，可能导致无法计算。

请参考上面的尺寸图纸调节两个部件之间的距离。

之后，设置接触面（2、3）：需要将两个部件在运动过程中，会接触的地方一一标出，千万不要加无用的面。

将Pinball Region设置为Radius方式（4），并将Radius设置一个合适的值（5），本例设置了3毫米（如图，会形成一个蓝色的大圆球），求解的时候软件会使用这个PinBall 自动探测接触。

还需要将接触方式设置为无摩擦的（6）。

最后将接触面计算方式设置为Adjust To Touch（7）。

也可以尝试其他的方式，不过对于这个仅研究红色部件变形的例子就无所谓了。

关于单元格WorkBench中可以不自行划分单元格（在解算的时候，如果没有手动的设置，软件就会先自动划分），软件帮你自动产生。

装配体结构力学分析（5）——接触分析在Workbench中的实现引言前文讨论了接触分析的一些基本理论以及基本参数。

装配体结构力学分析(1) ——装配体的几种处理方式装配体结构力学分析(2) ——几何/自由度/运动副的处理装配体结构力学分析(3) ——接触分析基础装配体结构力学分析(4) ——接触分析的基本参数本篇以ANSYS Workbench为例，简要介绍其具体实现过程。

算例以某转轴进行接触分析，左边通过绑定接触(线性)形成装配，右边通过标准接触(非线性)形成装配，对比两者的分析结果。

接触设置左边的绑定接触设置，选择MPC，相当于形成一个整体。

右边的标准接触设置，选择有摩擦的接触行为，并使用增强拉格朗日法，同时更新刚度。

计算设置，并开启自动步长。

事实上，穿透容差和收敛准则的设置会影响解的收敛性，本案例采用了默认设置。

接触检查在求解之前，需要通过接触工具对接触进行检查。

可以看到没有缝隙产生，实际上前面已经设置消除缝隙的选项。

接触检查完毕后即可开始求解。

求解将转轴底部固定，销轴加载。

观察力收敛曲线，展示了每个子步和迭代步的收敛情况，本案例较简单，收敛比较快。

后处理首先比较两种接触设置的位移和应力。

可以看到，使用绑定接触，于真实情况有一些误差，位移和应力均偏小。

此外，通过接触工具还可以观测接触的状态以及应力。

接触的状态接触穿透和接触法向应力，这是比较重要的一个判断依据，过大穿透得到的结果误差是较大的。

读者可以分析下，为什么左边模型没有接触穿透和接触应力产生。

最后接触分析比较复杂，涉及的因素也很多，需要了解基本原理，并通过一些简单的案例熟悉，才能较好的分析实际工程问题。

从下期开始，主要讨论ANSYS APDL的一些二次开发知识。

-- 完 ---------------------------------------------------------------。