过盈连接配合仿真分析及理论计算

一.建立模型、网格划分

   

 1.网格划分

       模型分为三个部分，轴、内部的套、轴下面的底座（主要对轴起支撑左右，接触约束）。其中套的内径是95mm，外径是115mm；轴的内径是115mm，外径是155mm，两个零件的过盈量为0.09mm。

     通过Hypermesh划分网格（也可以从workbench中划分网格，本文用hypermesh划分主要是介绍下如何用hypermesh为workbench制作网格文件），采用的实体单元solid185，当然可以用高阶的solid186、187单元。

    过盈配合在workbench仿真中可以通过设置偏移量或者几何间有初始的浸入关系来模拟。本文通过几何间的初始浸入来模拟过盈关系，过盈量为0.09mm，可以从下图中看出网格之间的浸入关系。

       为三个组件的单元设置单元类型、实常数、材料，具体如下图所示。

 2.网格文件的导出

         选择下图中高亮的选项导出文件，文件的格式为cdb格式，导出的文件workbench不能直接使用，还需要通过ANSYS经典界面进行再一次的转换。

     打开ansys经典界面，然后选择File下的Read Input from导入上文中生成的cdb文件，然后选择Preprocessor下的Archive Model下的Write，出现如下的画面，然后点击ok，完成网格文件的转变。

二.计算分析

   

 1.导入模型，建立静力分析

     如下图，将Finite ElementModeler拖入右侧空白区域，然后点击Model右键选择Add Input Mesh，然后选择上文转换好的cdb文件。

      然后将Static Structural拖入右侧空白区域，然后将A2的Model选项拖入到B3建立网格文件的连接，然后右键A2（Model）选择更新，如下图（本文已经计算完毕，所以各项状态为对号）：

2.建立接触

     双击上文中的B3，然后对轴和套之间建立第一个接触，接触面是轴的内径，目标面是套的外径（接触类型为普通接触，摩擦系数0.15，其他默认），如下图所示：

在第一个接触对上右键插入Commands（命令流）：

     keyopt,cid,5,0  ！CNOF/ICONT

     keyopt,cid,9,2   ！考虑几何初始浸入，并施加渐变的浸入
     keyopt,cid,10,2 ！接触刚度自动调整

      第二个接触对是套和底的接触，接触类型为普通接触，摩擦系数为0.2，其他默认。

3.边界条件

     在该分析过程中边界条件就两个，一个是底座下表面的固定约束，一个是重力加速度，如下图：

4.分析设置

      a.打开自动时间步长，初始载荷步为15，最小为10，最大为20；b.计算方法选择Direct；c.打开大变形，如下图，然后开始计算。

二.计算分析

   

1.有限元解

      计算完成后插入一下应力、变形结果，如下图，从上到下分别是总体变形、轴的变形、整体的von-mises应力、轴的von-mises应力、套的von-mises应力、套的x方向正应力、套y方向正应力、轴x方向正应力、轴y方向正应力。

（1）变形结果

   从下图可以看出轴的最大变形为0.038mm，套的最大变形为0.064mm（在边缘，有一定的边缘效应），两者和为0.102mm接近开始的0.09mm的过盈量。

（2）von-mises应力结果

          从下图可以看出轴的最大应力为142.88Mpa，套的最大应力为263.78Mpa

（3）轴的周向及径向应力结果

        如下图所示（接触表面为轴的内表面），取x方向正应力，图中-33.546的标签可以表示为该点的径向应力为33.546MPa，图中123.16的标签可以表示为该点的周向应力为123.16MPa。

（3）套的周向及径向应力结果

       如下图所示（接触表面为套的外表面），取Y方向正应力，图中-33.821的标签可以表示为该点的径向应力为33.821MPa，图中-195.52的标签可以表示为该点的周向应力为195.52MPa。

2.理论解析解

（1）轴套间接触压强

         根据轴和套之间的变形协调关系可以计算出轴和套之间的压强p为：

（2）轴、套轴向、径向应力计算

a.套的径向、周向应力计算：

b.轴的径向、周向应力计算：

    从上表可以看出解析解和数值解误差较小，可以接受。同时在有限元计算结果中体现出了边缘效应、边缘应力集中（解析解不能计算）。