基于ansys的过盈配合接触应力分析

基于ANSYS软件的接触问题分析及在工程中的应用基于ANSYS软件的接触问题分析及在工程中的应用一、引言接触问题是工程领域中常见的一个重要问题，它在很多实际应用中都具有关键作用。

接触分析能够帮助工程师设计和改进各种产品和结构，从而提高其性能和寿命，减少故障和事故的发生。

ANSYS作为一款强大的工程仿真软件，提供了多种接触分析方法和工具，为工程师们解决接触问题提供了便利。

本文将重点介绍基于ANSYS软件的接触问题分析方法和其在工程中的应用。

二、接触问题的分析方法接触问题的分析方法主要包括两种：解析方法和数值模拟方法。

解析方法基于一系列假设和理论分析，能够给出理论解析解，但局限于简单的几何形状和边界条件。

数值模拟方法通过建立几何模型和边界条件，利用数值计算的方法求解接触过程的力学行为和变形情况，可以适用于复杂的几何形状和边界条件。

ANSYS软件采用的是数值模拟方法，它基于有限元法和多体动力学原理，可以使用接触元素来建立模型，模拟接触过程中的相互作用，得到接触点的应力、应变以及变形信息，从而分析接触的性能和行为。

接下来将介绍ANSYS软件中的接触分析方法和其在工程中的应用。

三、接触分析方法1. 接触元素：ANSYS软件提供了多种接触元素供用户选择，包括面接触元素、体接触元素和线接触元素。

用户可以根据具体的接触问题选择合适的接触元素，建立几何模型来模拟接触行为。

2. 接触定义：在ANSYS软件中，用户可以通过定义接触性质、接触参数和接触约束来描述接触问题。

接触性质包括摩擦系数、接触行为模型等；接触参数包括接触初始状态、接触刚度等；接触约束包括接触面间的约束条件等。

3. 接触分析：通过在ANSYS软件中建立模型，定义接触参数和加载条件，进行接触分析，得到接触点的应力、应变和变形信息。

可以通过分析结果来评估接触性能，发现可能存在的问题，并进行改进和优化。

四、ANSYS软件在工程中的应用1. 机械工程领域：在机械工程中，接触问题广泛存在于各种设备和结构中，如轴承、齿轮、支撑结构等。

基于ANSYS Workbench的辊压机辊子过盈联接应力分析于浚哲;滕延伟;褚旭【摘要】对辊压机辊子进行运动及受力分析,采用厚壁圆筒模型计算辊轴和辊套配合过盈量的上、下限,运用ANSYS Workbench对不同过盈量下的过盈联接进行分析,得到了辊轴与辊套在过盈配合状态下的接触应力分布情况.将有限元计算结果与理论计算结果进行对比,验证了有限元分析结果的可靠性,为辊压机辊子过盈联接的设计提供了一种新途径.【期刊名称】《水泥技术》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】3页(P38-40)【关键词】辊压机;过盈联接;ANSYS Workbench【作者】于浚哲;滕延伟;褚旭【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TH131.7辊压机是利用两个辊子对物料施压，从而达到使物料粉碎的目的。

因此，辊子结构设计的好坏直接影响辊压机的使用效果及寿命等。

辊子主要由辊轴和辊套组装而成，两者通过过盈联接传递力，避免了键槽等结构对零件强度的削弱。

但由于过盈配合属于接触非线性类型而且难以通过常规方法对其进行测定，一般只能靠经验确定过盈量［1］。

文献［2］通过理论计算给出辊轴与辊套的最大、最小过盈量，但未分析在不同过盈量下接触面的应力分布情况。

文献［3］利用有限元方法对辊套在不同过盈量下的接触应力进行分析，并通过与理论计算进行对比，验证有限元方法的可行性，但分析过程未考虑辊轴变形对接触面应力的影响。

因而辊子过盈配合接触分析还需深入研究。

文中利用三维软件建立辊子模型，通过软件间的无缝联接导入ANSYSWorkbench中进行分析，通过在轴承支座上施加液压力，将结构变形对接触应力的影响考虑其中，相对真实地反映了在不同过盈量下接触面的应力分布，为辊子结构的设计和生产制造工艺提供理论依据。

文中主要分析辊轴和辊套的接触应力分布情况，故对辊子结构进行必要的简化，简化后的结构如图1所示。

1.1 辊子承受的最大转矩计算［2］［3］辊轴和辊套采用温差法进行过盈装配，为使辊压机工作时两者不发生相对滑动，其接触面间的摩擦力矩应大于或等于辊子承受的转矩。

过盈配合的应力分析概述接触问题分为两种基本类型：刚体—-柔体的接触、柔体——柔体的接触。

在刚体-—柔体的接触问题中，接触面的一个活多个被当做刚体（与它接触的变形体相比，有大的多的刚度)，一般情况下,一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被鉴定为刚体-—柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触。

另一类,柔体-—柔体接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有近似的刚度）。

在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”面，而把另一个作为“接触”面。

对刚体—-柔体的接触，“目标”面总是刚性的,“接触"面总是柔性的，这两个面合起来叫做“接触对”。

问题描述当轴与孔有过盈配合时，因为轴比孔稍大,这样它们之间由于接触就会产生应力应变。

材料性质：EX=30e6（杨氏弹性模量)NUXY=0。

25（泊松比)f=0。

2 （摩擦系数）几何尺寸：轴半径R1=0。

5 长L1=3孔模型外圆R2=1。

5内圆R3=0.45 长L2=2问题分析由于对称性,可以只取模型的四分之一来进行分析，并分成两个载荷步来求解。

第一个载荷步是观察轴接触面的应力；第二个载荷步是观察轴拔出孔的过程中的应力、接触压力和反力等。

一、建立模型并划分网格1.定义单元类型2.定义材料性质3.生成模型4.体分解操作5.划分网格二、定义接触对1.创建目标面及接触面2.设置接触面3.接触面的生成三、施加载荷并求解1.施加对称位移约束2.施加面约束条件3.设定第一个载荷步并进行求解4.设定第二个载荷步并进行求解四、后处理1.设置扩展模式2.读入第一个载荷步的计算结果并显示应力云图3.读入某时刻计算结果4.选择单元5.接触面压力云图6.读入第二个载荷步的计算结果并显示应力云图五、小结接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源,为了进行有效的计算,理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。

接触问题存在两个较大的难点:1。

在求解问题之前，不知道接触区域，表面之间是接触还是分开是未知的、突然变化的，这些随载荷、材料、边界条件和其他因素而定。

《基于ANSYS软件的接触问题分析及在工程中的应用》篇一一、引言随着现代工程技术的快速发展，接触问题在各种工程领域中扮演着越来越重要的角色。

ANSYS软件作为一种强大的工程仿真工具，被广泛应用于解决各种复杂的工程问题，包括接触问题。

本文将详细介绍基于ANSYS软件的接触问题分析，并探讨其在工程中的应用。

二、ANSYS软件接触问题分析1. 接触问题基本理论接触问题是一种高度非线性问题，涉及到两个或多个物体在力、热、电等作用下的相互作用。

在ANSYS软件中，接触问题主要通过定义接触对、设置接触面属性、设定接触压力等参数进行模拟。

2. ANSYS软件中接触问题的分析步骤（1）建立模型：根据实际问题，建立相应的几何模型和有限元模型。

（2）定义接触对：在ANSYS软件中，需要定义主从面以及相应的接触类型（如面-面接触、点-面接触等）。

（3）设置接触面属性：根据实际情况，设置接触面的摩擦系数、粘性等属性。

（4）设定载荷和约束：根据实际情况，设定载荷和约束条件。

（5）求解分析：进行求解分析，得到接触问题的解。

3. 接触问题分析的难点与挑战接触问题分析的难点主要在于高度的非线性和不确定性。

此外，还需要考虑多种因素，如接触面的摩擦、粘性、温度等。

这些因素使得接触问题分析变得复杂且具有挑战性。

三、ANSYS软件在工程中的应用1. 机械工程中的应用在机械工程中，ANSYS软件被广泛应用于解决各种接触问题。

例如，在齿轮传动、轴承、连接件等部件的设计和优化中，ANSYS软件可以模拟出部件之间的接触力和应力分布，为设计和优化提供有力支持。

2. 土木工程中的应用在土木工程中，ANSYS软件可以用于模拟土与结构之间的接触问题。

例如，在桥梁、大坝、建筑等结构的分析和设计中，ANSYS软件可以模拟出结构与土之间的相互作用力，为结构的设计和稳定性分析提供依据。

3. 汽车工程中的应用在汽车工程中，ANSYS软件被广泛应用于模拟汽车零部件之间的接触问题。

基于ANSYS Workbench对圆柱面过盈配合接触应力的研究李亚洲;汤易升;陈炜;张西正【摘要】利用有限元分析软件ANSYS Workbench,模拟空心轴与包容件的过盈配合过程,通过改变单一因素的实验方法,分析圆柱面过盈配合中接触应力分布情况和各个因素的关系.本文分析了过盈量、包容件外径、接触宽度、轴向拉力和压力的影响因素.对实验结果进行分析得出如下结论:轴和包容件的接触区域的最高等效应力区,受到边缘效应的影响,最高应力集中区出现在端部边缘处.包容件在靠近边缘的中间部位出现低应力区域.空心轴表面的应力值呈现出从一端到另端逐渐增加的现象.%Using finite element analysis software ANSYS Workbench,the simulation of the hollow shaft and containing a process,by changing the single factor experiment method,analysis of interference fit of cylinder is contact stress distribution and the relationship between the factors.The interference are analyzed in this paper,the quantity,inclusive a diameter,contact width,the influence factors of axial tension and stress.Analysis of experimental results the following conclusions:shaft and tolerance of contact area of the maximum equivalent stress area,under the influence of edge effect,high stress,high in the end edge.Containing a appears near the edge of the middle low stress area.On the surface of the hollow shaft stress value present a growing phenomenon from one end to the other end.【期刊名称】《天津理工大学学报》【年(卷),期】2017(033)003【总页数】5页(P1-5)【关键词】过盈配合;有限元;影响因素;等效应力【作者】李亚洲;汤易升;陈炜;张西正【作者单位】天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统与智能控制重点实验室,天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统与智能控制重点实验室,天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统与智能控制重点实验室,天津300384;军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统与智能控制重点实验室,天津300384;军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161【正文语种】中文【中图分类】TH140过盈连接普遍采用的方法是热胀冷缩或强力压入将有过盈量的两个接触面装配到一起[1-6].在接触面上会产生很大的径向力.在过盈连接承受轴向力和扭矩时，接触区域将产生相应的摩擦力与力矩来抵御外部施加的力和力矩[7-8].过盈连接是一种半永久性连接.它有很多优点，结构简单，生产成本低，消除了焊接产生局部应力，零部件容易产生局部疲劳与断裂的缺点，也解决了部分金属材料和机械结构进行螺纹加工困难的问题，常用于薄壁件连接处（不易加工螺纹），具有良好的对中性，应力分布相对比较均匀，承载能力强，结构紧凑美观等优点[9].现阶段对过盈配合的研究，已经在很多方面进行了.有从过盈连接的接触面变形类型来研究的，将过盈面的的变形分为弹性变形和塑性变形两个阶段进行不同的研究[10].弹形是指在过盈连接件，拆卸后，原先的接触面能够恢复到原有的直径不发生永久性变形.塑性变形，接触表面的材料受到很大的力，超出其强度极限，导致接触面发生了永久性变形.另一种研究分类，将过盈连接的研究，根据接触面的形状不同，分为圆锥面和圆柱面[11]对圆柱面的研究相对比较多，主要研究领域集中在轴和轮毂配合方面，研究方法普遍采用弹性力学与材料力学的理论公式进行推导计算.应用传统的经典弹性力学，可以解决轴和包容件的应力特性问题.但随着工程研究的深入，人们需要更加直观和准确研究接触区域的非线性力学问题.一些学者提出了对过盈连接应力分布影响因素的研究.由于经典的弹性力学方法已经不再适用，无法满足对过盈配合区域的直观的定性分析.现阶段普遍采用的研究方法是将数值计算的方法引入到对过盈连接影响因素的研究中.随着有限元分析的方法的发展，很多学者利用有限元分析软件，对过盈配合面进行应力分析，能更加准确、直观、细致的分析出过盈配合的变形过程[12].本文利用有限元分析软件ANSYS Workbench，通过控制单一变量的方法，对过盈链接的影响因素进行了研究，得到每个单变量因素对接触区域应力分布的影响、应力值的影响规律.建立的有限元模型，材料选择为结构钢，空心轴总长为30 mm，外径为Φ48 mm，内径为Φ40 mm；轴套总长为Φ30 mm，基本配合外径为Φ40 mm，过盈量大小取（0.042 mm，0.059 mm，0.076 mm）内径为Φ32 mm轴和轴套均采用合金钢材，其材料常数为：弹性模量E=2.01×109Pa，泊松比ν=0.27，材料密度ρ=7 800 kg/m3.模型的建立采用中间格式倒入的方法，首先在Solid works 里建立空心轴与包容件的模型，利用中间格式导入到ANSYS Workbench软件中进行过盈配合的模拟装配.模拟装配过程如图1所示.利用Solid works建立图1a三维模型，将建立的三维模型转化为中间格式x-t的文件，导入到ANSYS Workbench中，后对网格属性，材料属性进行设置，进行网格的划分得到图1b.网格划分完成，对包容件施加约束和位移加载，方法，对包容件端部固定，同时对空心轴一端施加位移，完成的模拟装配过程.得到如图1c所示模拟装配后的应力分布图.2.1 过盈量变化对等效应力的影响的计算研究本次研究借助ANSYS Workbench软件，通过控制单一影响因素，观察结果变化的方法，研究过盈量大小，对过盈配合区域的接触应力分布的影响.本次实验，Φ40 mm孔与轴的配合采用基孔制，过盈量根据国标GB1801-1979选取H7/n7、H7/s6、H7/u6，三种过盈配合关系，通过计算得到最大的过盈量分别是0.042 mm，0.059 mm，0.076 mm.根据控制单一变量的原理，保持接触宽度，轴向力，包容件外径大小，都不变，单一改变过盈量，对三组实验对象进行模拟装配.如2图所示，图2a、2b、2c分别代表过盈量为0.042 mm、0.059 mm、0.072 mm包容件的等效应力分布图，图2中包容件的应力分布有明显的规律性，在靠近边缘的中部出现了低应力区域.图3a、3b、3c分别代表空心轴的应力分布情况，空心轴外表面接触区域应力分布，呈现出从一端到另一端逐渐增加的变化，最大应力集中到插入端.图4a所示为过盈量为0.042 mm、0.059 mm、0.072 mm的包容件，从未被约束端到被约束端的应力分布情况，从曲线图4a可知，不同过盈量下包容件表面的应力分布均发生了突变，出现低应力区，从三条曲线的总体趋势来看，接触区域的应力值大小与过盈量大小成正比，随过盈量的增加而增加.图4b代表不同过盈量下，轴的接触区域的等效应力分布曲线.从曲线中可以看出，轴的接触区域应力值，从一端到另一端不断增加，从不同过盈量的轴对比发现，轴的接触区域应力值随着过盈量的增大而升高.2.2 接触宽度的变化对应力集中情况影响的研究对接触宽度的变化对应力集中情况的研究实验，采用同样的方法，保持过盈量，包容件外径大小，轴向力F不发生变化的情况下，单一改变接触宽度的大小，建立接触宽度b=30、40、50 mm的分析模型.此实验过盈量为0.059 mm，包容件的外径Φ48 mm.图5a、5b、5c表示不同接触宽度下包容件的应力分布情况，通过对结果的观察分析可知，包容件的接触区域应力分布受到边缘效应的影响，在靠近边缘处的中间部位出现了低应力区域.图6a、6b、6c为空心轴的应力分布情况，从图中可以观察到空心轴的应力分布情况呈现一定的规律性，轴的应力值从一端到另一端逐渐增加.图7a、7b分别代表包容件与轴，在不同宽度影响下接触区域的应力曲线图.观察图7a可知，包容件的接触应力在其他影响因素不变的情况下，随着接触宽度的增加，包容件的等效应力值降低，宽度越小边缘效应越明显，边缘处应力集中越明显，最大应力值越大.图7b为空心轴的应力分布，从一端到另一端应力值逐渐增加，宽度越大应力值的变化速度越慢，曲线的越平缓，边缘处的应力集中情况越不明显. 2.3 包容件外径大小对接触应力的影响研究对包容件外径大小对配合面的应力分布影响的研究，是在保证过盈量，接触面的基本直径，轴向力，接触宽度，不发生变化的情况下，单一改变包容件的外径大小，来进行模拟装配过程.实验分析中，建立直径接触面Φ40 mm，轴向力F=0，接触宽度b=30 mm，过盈量为0.056，包容件外径大小分别是Φ48 mm、Φ56 mm、Φ62 mm的分析模型.对三个模型进行模拟装配分析，分析情况如图8、图9所示. 图8a、8b、8c分别为外径大小Φ48 mm、Φ56 mm、Φ62 mm包容件的接触区域应力分布图，从分析结果分析可知，在接近边缘的区域出现低应力区.图9a、9b、9c分别是外径为Φ48 mm、Φ56 mm、Φ62 mm的包容件对应空心轴，接触区域的应力分布情况，从图中看出空心轴的等效应力值，从一端到另一端逐渐增加，在边缘处出现最大值.图10a所示为不同外径下包容件的接触区域应力分布情况，包容件的接触区域受边缘效应的影响，最大等效应力值出现在边缘处，同时在接近边缘的中间部位有低应力区域出现.从图10a的曲线图可以看出，包容件的半径越大，从低应力区到应力集中的边缘处这段区域变化越平缓.包容件半径越大，低应力区所占据的区域范围越大，低应力区域的应力值过渡越平缓.包容件半径越大，低应力区的最小等效应力值和边缘处的最大等效应力值越小.图10b所示为空心轴的应力分布情况，从图中可知，接触的初始区域应力值变化都比较平缓，接触中期区域的应力值发生了急剧增加，包容件半径越大的对应的轴应力急剧增加的速度越慢.相反包容件半径小的等效应力值的急剧增加速度越大.2.4 轴向力对接触区应力影响的研究研究轴向力对配合区域接触应力的影响所建立的分析模型，控制单一变量，保持包容件外径，过盈量，接触宽度不变的情况下，单一改变轴向所加载的力的大小和力的方向，本次实验所建立的模型，过盈量为0.059 mm，包容件外径Φ48 mm，接触宽度b=30 mm，轴向力加载，分四种情况，F=±60 MPa和F=±130 MPa，正代表压力，负号代表拉力.模拟过盈装配的分析结果如下.图11a、11b分别代表轴向受60 MPa和120 MPa的压力作用下的配合中包容件的等效应力分布图.图11e代表空心轴在左右两端未受到力的作用时，包容件的接触区域的应力分布图.图12a、12b代表轴向受到60 MPa和120 MPa拉力力作用的配合中包容件的等效应力分布图.图12e代表空心轴不受轴向力时的应力分布图.从图11a、11b分析可知，轴向力没有影响边缘效应的出现，靠近边缘的中间区域仍然出现了低应力区，边缘处出现应力集中.图12a、12b可知空心轴的应力分布仍然保持从一端到另一端逐渐增加的趋势，边缘处应力值最大.图13a、13b分别代表不同轴向力作用下，包容件的接触区域应力分布和空心轴的接触区域应力分布情况.由图13a所示可知，包容件在接触的开始区域与中部区域应力值变化都非常平缓.其中这部分区域的应力值，在不同的轴向力作用下呈现一定的规律性，120 MPa压力＞60 MPa压力＞0作用力＞60 MPa拉力＞120 MPa拉力.图13b分析可知，轴的接触区域应力值分布情况的总体趋势与包容件相反，120MPa压力＜60 MPa压力＜0作用力＜60 MPa拉力＜120 MPa拉力.分析轴向力对应力值分布影响规律可知，轴向力对包容件应力值的影响，实质上是轴向力影响了接触区域的过盈量的值.轴在受到压力时，发生了弹性变形，半径变大，相当于增加了轴的过盈量.故压力作用下应力值高于没有作用力时的应力值，高于拉力作用下的应力值.1）圆柱面形状的过盈配合应力分布情况，受过盈量、结合面宽度、包容件直径、轴向力的影响.同时包容件的应力分布情况近似成对号函数的分布，轴的应力分布呈现近似于线性分布，包容件与轴都呈现出边缘效应，包容件的现象更明显，由边缘效应所产生的应力集中现象，应力值远远高于其他部位的应力值，这对过盈配合的可靠性产生极坏的影响.2）过盈量的大小对应力值的影响有着直接对应的关系，随着过盈量的增加，应力值增加.接触区域宽度对过盈配合区域应力值分布有一定的影响，接触区域越宽，包容件的应力集中现象越弱，边缘处的最大等效应力值越小，过盈连接越可靠.包容件外径大小对应力分布有影响，但实验结果的曲线具有一定的复杂性，总体表现是半径越小，包容件的边缘处应力集中越明显，应力值变化越快.3）轴向力对应力分布影响显著，包容件的区域应力值分布呈现出的规律为轴两端受到压力时，大于两端不受力，大于两端受到拉力作用.在承受范围内，两端力越大，这种现象越明显.轴的表面接触区域的应力值分布，在受到拉力作用时，区域的应力值高于受到压力作用，两端的力越大这种现象越明显.影响包容件应力值分布的原因，最终可以归结于过盈量的变化，轴在受到压力和拉力时，发生弹性变形改变原有过盈量，引起包容件应力分布的变化.【相关文献】［1］杨广雪，谢基龙，李强，等.过盈配合微动损伤的关键参数［J］.机械工程学报，2010，46（16）：53-59.［2］黄庆学，王建梅，静大海，等.油膜轴承锥套过盈装配过程中的压力分布及损伤［J］.机械工程学报，2006，42（10）：102-108.［3］陈连.过盈连接可靠性设计研究［J］.中国机械工程，2005，16（1）：28-30.［4］张洪才.Ansys14.0理论解析与工程应用实例［M］.北京：机械工业出版社，2012.［5］刘江.Ansys14.5 workbench机械仿真实例详解［M］.北京：机械工业出版社，2014. ［6］张杰，韩传军.轴向载荷下空心轴过盈联接的力学特性［J］.四川大学学报，2013，45（S1）：53-57.［7］李伟建，潘存云.圆柱面过盈连接的应力分析［J］.机械制造与技术，2008，27（3）：313-317.［8］张敬佩，李初晔.过盈配合产生的接触压力和拔出力计算[J].机械设计与制造，2010（10）：195-197.［9］王少江，李学明，张安鹏，等.大型焊接齿轮与轴过盈配合有限元分析［J］.煤矿机械，2015，36（5）：134-136.［10］滕瑞静，张余斌，周晓军，等.圆柱面过盈连接的力学特性及设计方法［J］.机械工程学报，2012，48（13）：160-166.［11］李伟建，潘存云.圆柱面过盈连接的应力分析［J］.机械科学与技术，2008，27（3）：313-317.［12］张杰，韩传军.轴向载荷下空心轴的过盈连接力学特性［J］.四川大学学报：工程科学版，2013（S1）：53-57.。