Abaqus-看完就没有不会的过盈配合模拟

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过盈配合连接是机械工程中常用的一种标准连接方式，几乎应用于所有领域。其中，轴毂连接就是一个典型的例子。

本文将介绍几种模拟过盈配合连接的方法。首先，我们将介绍两种主要方法：基于CAD数据的几何重叠和基于初始非重叠几何计算的过盈配合。然后，针对这两种方法，我们将分别采用面/面接触和通用接触两种接触模型。这样，我们就得到了四种不同的过盈配合仿真方法。

本文采用的软件版本为Abaqus v2022 HF6。

模型

如下图所示，轴的两端通过耦合与参考点固定。轮毂套在轴上，轴的外径为200mm。

工况A: 轴的外径和轮毂的内径相同。
工况B: 轮毂的内径(199.9mm)小于轴的外径。

图中显示了接触面，其中轴的接触面为Shaft_Outer(图中左侧)，轮毂的接触面为Hub_Inner(图中右侧)。

我们采用了两种不同的接触方法：

面/面接触(方法A)
通用接触(方法B)

此外，我们还研究了两种不同的网格密度：一致的网格尺寸(如下图左侧)和较粗的网格尺寸(轴的网格约为1/3，如下图右侧)，用于对比分析。

摩擦系数的定义

摩擦系数是一个相互作用属性，用于定义两个接触面之间的摩擦力大小,设置摩擦系数0.15。

方法A – 面/面接触

工况A：重合表面

步骤1：定义接触对

选择接触方法
选择接触面
激活光滑，这在单元尺寸不相等的情况下绝对必要
激活摩擦
继续步骤2

步骤2：

重叠：-5/100 mm
需要一个振幅可以在此对话框中创建。**注意：**它不会自动接管，只能通过后续选择
然后确认，过盈配合就定义好了

工况B：几何重叠

步骤1：定义接触对（与工况A相同）

选择接触方法
选择接触面
激活光滑，这在单元尺寸不相等的情况下绝对必要
激活摩擦
继续步骤2

步骤2：定义重叠

几何重叠，仅在第一步有效！

然后确认，过盈配合就定义好了

方法B – 通用接触

工况A：重合表面

选择接触方法
打开摩擦并打开初始化对话框

定义过盈量输入过盈尺寸，必须> 0
定义接触对在此处选择接触对进行初始化确认并退出对话框压配合现在就定义好了

工况B：几何重叠

步骤1：定义接触对，与方法B – 工况A相同

选择接触方法
打开摩擦并打开初始化对话框

步骤2：定义过盈量

几何重叠被检测为过盈

步骤3：定义接触对，与方法B – 工况A相同

在此处选择接触对进行初始化，然后单击“确定”退出对话框。过盈配合现在就定义好了

结果

轮毂和轴采用相同的网格划分

方法A – 面/面接触：工况A：重合表面（左），工况B：几何重叠（右）

方法B – 通用接触：工况A（左），工况B（右）

轮毂和轴采用不同的网格划分

方法A – 面/面接触：工况A：重合表面（左），工况B：几何重叠（右）

方法B – 通用接触：工况A（左），工况B（右）

总结

无论使用哪种接触算法和描述重叠的方法，结果都几乎相同。如果压配合研究是实验设计 (DOE) 的一部分，则无论采用哪种方法，最好选择工况B。

过盈配合连接的模拟

预备考虑

实际上，过盈配合通常是通过加热一个部件并将其套到另一个部件上冷却来实现的。这种方法同样可以很容易地模拟。但是，这里我们不模拟热传递本身。

在本例中，轴的外径为200mm，轮毂的内径为199.9mm。为了消除重叠，轮毂的内径必须通过加热膨胀0.1mm。

一般来说：

D1 = D0 (1 + α * Δϑ)

其中：

D1 = 加热后的直径 (200mm)
D0 = 加热前的直径 (199.9mm)
α = 热膨胀系数 (此处为 12 * 10^-6/K)
Δϑ = 温差 (K)

由于在本例中不涉及热传递（辐射、热传导等），因此温度的选择可以不考虑绝对零度。加热轮毂所需的最低温度以及相关的内径增加量计算如下：

(D1 / D0 - 1) / α = Δϑ

可以使用命令行界面来计算Δϑ。

因此，轮毂必须至少加热Δϑ值，使其内径至少达到轴的外径。

建模

为了进行模拟，我们使用了两个载荷步：Step 1 – HeatUp（加热）和 Step 2 – CoolDown（冷却）。轮毂通过节点的温度控制进行加热。由于这是一个静态过程，因此节点没有温度自由度。控制是通过预定义场（输入文件中的 *TEMPERATURE）中的温度来完成的。

首先，在初始步中为轮毂创建一个温度类型的预定义场，RT=20°C。

然后，在第一步中，温度RT至少增加Δϑ。这里，请求节点温度的场输出NT是有用的。

在第二步中，冷却到RT…

为了避免刚体运动，轮毂必须以某种方式支撑，这里使用弹簧（连接到地线的Wire）。

现在创建一个连接器截面，这里是Basic > Cartesian类型，具有3个平移刚度。

将连接器截面分配给先前创建的弹簧（Wire）。

这里，还必须在第一步中通过接触初始化来定义过盈，但是它会在第一步中通过温度膨胀来解决。

（提示：或者，您也可以在第一步中使用 CONTACT EXCLUSION，并在第二步中通过 CONTACT INCLUSION 激活轴和轮毂之间的接触。也许这更优雅……）

现在将此接触初始状态应用于从轮毂到轴的接触对。

结果

第一步（加热）中的温度（左）和径向膨胀（右），轮毂内径处的径向膨胀：0.05mm

第二步（冷却）中的温度（左）和径向膨胀（右），轮毂内径处的径向膨胀：0.039mm

第二步（冷却）中的接触状态（左）和等效应力（右）

评估

在本例中，不同方法的结果是相同的，所有方法的计算量都相似。但是，对于其他几何形状或其他实际工艺流程，最好使模拟尽可能接近实际情况。那么，后一种通过加热的方法肯定会更好。

来源：ABAQUS仿真世界

《Mechanics of Solid Polymers》5.2.2各向异性线弹性

5.2.2各向异性线弹性线性弹性理论可以扩展以包含各向异性行为。许多聚合物，如纤维增强复合材料、拉伸聚合物薄膜或其他具有优先分子取向的聚合物（包括许多生物聚合物）在不同程度上都是各向异性的。对于这些材料，使用各向异性弹性来表示其行为是有用的。对于各向异性弹性材料，胡克定律可以写为：或当以应变状态的函数表达时为：在这些方程中，是柔度张量，是刚度张量。这些方程表明，应力张量和应变张量之间是线性关系的，通过线性刚度或柔度张量相互关联。各向异性弹性的理论在许多教科书中有详细讨论，这里我们将简单总结一些更重要和实用的工程分析结果。如方程(5.11)和(5.12)所示，柔度张量和刚度张量都有3×3×3×3=81个分量。幸运的是，由于应变和应力张量都是对称的，独立分量的数量可以通过对称性论证减少到36，因此常见的做法是将刚度和柔度张量写为的形式，如下所示：根据各向异性的程度，这些6×6矩阵通常可以进一步简化。以下小节介绍常见的特殊情况。正交各向异性弹性如果材料的力学响应包含三个正交对称平面，如图5.2所示，则该材料称为正交材料。图5.2木材的微观组织为典型的正交各向异性正交材料的一个常见情况是材料在三个正交方向上包含纤维。在这种情况下，材料具有三重对称性，其本构方程如下：其中E1,E2,E3,G12,G13,G23,ν12,ν13,ν21和ν32是材料参数。这里的泊松比定义为νij：材料在方向受力时i方向应变与横向j方向应变比值。在一般情况下，泊松比的各项并不对称，即νij≠νji。来源：ABAQUS仿真世界