摩擦生热的仿真分析韩建伟;鲁后国;李华伟【摘要】利用摩擦热产生塑形变形进行深孔无屑加工,不仅节省材料,而且可以获得高性能的工件.摩擦热深孔成形的热力分析是该工艺技术的一个关键问题.利用LS-DYNA动力有限元分析软件建立圆柱钻头和球形钻头的滑动摩擦副热结构耦合模型,分别计算了模型的温度场以及热应力场.摩擦过程中,最高温度在接触面外侧,温度从外侧向中心逐渐降低,球形钻头由于受力集中,更符合后期钣金深孔冲压成形要求.通过摩擦生热达到一定温度,为进一步研究摩擦热加工深孔工艺奠定了基础.【期刊名称】《汽车工程师》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】3页(P30-32)【关键词】摩擦热;深孔成形;有限元模型;温度;应力;仿真;球形钻头;圆柱钻头【作者】韩建伟;鲁后国;李华伟【作者单位】江淮汽车技术中心;江淮汽车技术中心;江淮汽车技术中心【正文语种】中文摩擦热成型加工技术中一个关键问题就是力热分析。
各国学者对摩擦副接触面温度进行了大量的研究工作[1-2]。
由于接触表面的最高温度是在接触处瞬时形成的闪现温升，而且接触体在运动，因此，要精确地测出闪温十分困难。
摩擦热与热变形的耦合过程中，热、力和变形的相互关系十分复杂，目前选择二维轴对称有限元模型解决这种问题[3]，但对实际温度和应力的变化情况计算误差很大[4]。
文章通过动力学仿真软件LS-DYAN建立三维有限元模型并进行动力学仿真分析，研究在摩擦热和力场的耦合作用下，接触区温度变化及应力变化特性。
1 有限元基础1.1 有限元热分析假设条件为了仿真问题易于处理，且不失去其意义，做6个假设：1）忽略泄漏所带走的摩擦热；2）忽略因热辐射导致的热损失；3）认为各层材料的参数都是各向同性的；4）与整体摩擦热相比，磨屑带走的热量很小，可忽略不计；5）对流换热产生于试样的四周，换热系数与温度及试样的空间位置无关；6）上下试样材料的体积质量随温度的变化比较小，忽略体积质量随温度的变化。
Beam3二维弹性单元特性Beam3单元是一种可承受拉、压、弯作用的单轴单元。
单元的每个节点有三个自由度，即沿x,y方向的线位移及绕Z轴的角位移。
本单元更详细的说明见《ANSYS, Inc. Theory Reference》，其它的二维梁单元还有塑性梁单元Beam23及非对称变截面梁Beam54。
假设与限制:梁单元必须位于X-Y平面内，长度及面积不可为0;对任何形状截面的梁等效高度必须先行决定，因为弯曲应力的计算为中性轴至最外边的距离为高度的一半；单元高度仅用于弯曲及热应力的计算；作用的温度梯度假定为沿长度方向线性通过等效高度；若不使用大变形时，转动惯量可为0。
BEAM3在软件各产品中的使用限制：当使用以下产品时，BEAM3单元的使用还要受到以下限制：ANSYS专业版：不能计算阻尼材料.体荷载不能为热流量.能考虑的特性仅限应力硬化及大挠度两项。
Beam4 单元描述Beam4是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。
这种单元在每个节点上有六个自由度：x、y、z三个方向的线位移和绕x,y,z三个轴的角位移。
可用于计算应力硬化及大变形的问题。
通过一个相容切线刚度矩阵的选项用来考虑大变形（有限旋转）的分析。
关于本单元更详细的介绍请参阅《ansys理论手册》,关于渐变的非对称弹性梁的问题应按beam44单元考虑，三维塑性梁应按beam24单元考虑。
（如果省略节点K或Θ角为0度，则单元的Y轴平行于整体坐标系下的X－Y平面）假设与限制:长度及面积不可为0，当不进行大变形分析时惯性矩可以为0;对任何形状截面的梁等效高度必须先行决定，因为弯曲应力的计算为中性轴至最外边的距离为高度的一半；单元高度仅用于弯曲及热应力的计算；作用的温度梯度假定为沿长度方向线性通过等效高度；当使用相容切线刚度矩阵（KEYOPT(2) = 1）时，一定要注意使用切合实际的（即，按比例的）单元实常数。
这是因为相容应力刚度矩阵是基于单元应力计算的，如果人为取过大或过小的截面特性，则计算的应力可能不正确，导致相应的应力刚度矩阵也不正确（相容应力刚度矩阵的某些分量或能变成无穷大）。
1.施加显式分析的载荷一般的加载步骤如下：（1）将模型中受载的部分定义为组元或PART（用于刚体的加载）；（2）定义包含时间和对应荷载数值的数组参数并赋值；（3）通过上述数组定义荷载时间历程曲线；（4）选择施加荷载的坐标系统（默认为在总体直角坐标系）；（5）将荷载施加到结构模型特定受载的部分上。
在ANSYS/LS-DYNA中，定义或分析显式分析载荷的GUI操作菜单路径为：Main Menu>Preprocessor>LS-DYNA Options>Loading Options>Specify Loads Main Menu>Solution>Loading Options>Specify Loads通过上述菜单调出如图1所示的加载对话框，在其中依次输入相应的参数，同样可以完成载荷的施加过程。
图1施加显式分析的载荷注意：在ANSYS/LS-DYNA中，上述方式定义的载荷是在一个载荷步施加的，即直接施加随着时间变化的各种动力作用到结构的受载部分。
不要与ANSYS隐式结构分析中多个载荷步加载的概念相混淆。
施加了显式分析载荷之后，可以通过操作显示或隐藏载荷标志，其GUI菜单操作路径为：Main Menu>Preprocessor>LS-DYNA Options>Loading Options>Show Forces2.施加初始条件在瞬态动力问题中，经常需要定义结构系统的初始状态，如初始速度等。
在ANSYS/LS-DYNA程序中，菜单路径为：Main Menu>Preprocessor>LS-DYNA Options>Initial Velocity>OnNodes/PARTsMain Menu>Solution>Initial Velocity>On Nodes/PARTs图2施加于PART上初始速度3.施加边界条件在ANSYS/LS-DYNA中，可以定义如下一些类型的边界条件：★固定边界条件其菜单操作路径为：Main Menu>Preprocessor>LS-DYNA Options>Constraints>Apply>On Nodes Main Menu>Solution>Constraints>Apply>On Nodes在图形窗口中单击需要约束的节点，然后，在弹出的如图3所示的对话框中进行施加零约束的操作。
lsdyna显式与隐式隐式时间积分--不考虑惯性效应([C]and[M])。
--在t+△t时计算位移和平均加速度:{u}={F}/[K]。
--线性问题时，无条件稳定，可以用大的时间步。
--非线性问题时，通过一系列线性逼近(Newton-Raphson)来求解;要求转置非线性刚度矩阵[k];收敛时候需要小的时间步;对于高度非线性问题无法保证收敛。
显式时间积分--用中心差法在时间t求加速度:{a}=([F(ext)]-[F(int)])/[M]。
--速度与位移由:{v}={v0}+{a}t,{u}={u0}+{v}t--新的几何构型由初始构型加上{X}={X0}+{U}--非线性问题时，块质量矩阵需要简单的转置;方程非耦合，可以直接求解;无须转置刚度矩阵，所有的非线性问题(包括接触)都包含在内力矢量中;内力计算是主要的计算部分;无效收敛检查;保存稳定状态需要小的时间步。
关于文件组织:jobname.k--lsdyna输入流文件，包括所有的几何，载荷和材料数据jobname.rst--后处理文件主要用于图形后处理(post1)，它包含在相对少的时间步处的结果。
jobname.his--在post26中使用显示时间历程结果，它包含模型中部分与单元集合的结果数据。
时间历程ASCII文件--包含显式分析额外信息，在求解之前需要用户指定要输出的文件，它包括:GLSTAT全局信息，MATSUM材料能量，SPCFORC节点约束反作用力，RCFORC接触面反作用力，RBDOUT刚体数据，NODOUT节点数据，ELOUT单元数据…在显式动力分析中还可以生成下列文件:D3PLOT--类似ansys中jobname.rstD3THDT--时间历程文件，类似ansys 中jobname.his关于单元:ANSYS/LSDYNA有7中单元(所有单元均为三维单元):LINK160:显式杆单元;BEAM161:显式梁单元;SHELL163:显式薄壳单元;SOLID164:显式块单元;COMBI165:显式弹簧与阻尼单元;MASS166:显式结构质量;LINK167:显式缆单元显式单元与ansys隐式单元不同:--每种单元可以用于几乎所有的材料模型。
