Ansys案例 | 绑定、无摩擦与摩擦接触的对比分析

概述接触是应力分析中的关键因素。选择正确类型的接触对应力分析的成功至关重要。本案例比较了使用不同类型接触的模拟结果:粘结接触、摩擦接触和无摩擦接触。结果强调了选择真实接触类型的重要性。目标1、比较粘结、无摩擦和摩擦接触2、理解选择正确接触类型的重要性步骤对梁柱节点建模考虑梁与柱之间的摩擦接触1、打开Ansys Workbench创建一个静力结构分析检查单位。2、导入几何图形(图1)。图 1 螺栓螺纹模型的几何形状对几何模型进行网格划分。建议在螺栓和孔洞周围进行网格加密以提供足够的离散精度准确刻画几何形状。采用线性单元使总节点数低于学术版软件许可的限制。设置全局网格尺寸为 25 mm对螺栓和节点区域采用局部网格尺寸 10 mm对孔洞采用5 mm 的网格尺寸。网格划分后的模型示意图如图 2 所示。图 2 网格模型的示意图3、定义各部件之间的接触关系。软件会自动在相互邻近的部件之间设置绑定接触。将螺栓与孔之间的接触类型改为无摩擦接触其余所有接触均设置为摩擦接触摩擦系数取 0.2。本案例重点考察梁与柱之间的接触并采用摩擦接触进行计算。螺栓预紧力会在梁与柱之间产生压力而摩擦接触可阻止二者发生相对滑移见图 3。图 3 梁与柱之间的摩擦接触4、定义分析设置并施加边界条件。设置两个分析步第一步施加螺栓预紧力第二步在梁的顶面施加竖向荷载。边界条件示意图如图 4 所示。施加螺栓预紧力时需要建立局部坐标系且z 轴需与螺栓轴线保持一致见图 5。图 4 边界条件的示意图图 5 螺栓预张分配的局部坐标系示意图5、运行仿真并查看结果。提取总变形和等效应力云图等结果图表同时生成节点局部区域的云图用于对比节点刚度。采用无摩擦接触方式对梁柱节点进行建模6、开展梁与柱间为无摩擦接触的分析。在 Workbench 中复制该分析系统并将其重命名为 “无摩擦接触”。在 Mechanical 中编辑模型将梁与柱之间的接触改为无摩擦接触。重新运行仿真并与摩擦接触工况下的结果进行对比。图 6 给出了节点区域的变形云图。可以看出引入摩擦会减小梁的变形。图 7 通过绘制接触状态云图解释了图 6 中的差异。从图 7 中可以观察到当接触类型为无摩擦接触时梁表面与柱表面之间发生相对滑移而当采用摩擦接触时两个表面保持粘结贴合。a 摩擦接触 b 无摩擦接触图 6 接合处的变形等高线图(a) 摩擦接触接触面在孔洞 (b) 无摩擦接触接触面在孔周围相互贴合无滑移 洞周围发生相对滑移图 7 接触状态比较采用绑定接触对梁柱节点进行建模7、对梁与柱之间采用绑定接触进行分析。在 Workbench 中复制 “无摩擦接触” 分析系统并重命名为 “绑定接触”。在 Mechanical 中编辑模型将梁与柱之间的接触改为绑定接触。重新运行仿真并查看结果。图 8 显示其最大变形远小于另外两种接触工况这表明绑定接触能更好地约束两个接触面。但图 9 中的接触状态云图表明两个接触面完全粘结在一起这与实际情况不符。图 8 接合处的变形等高线图图 9 粘结接触的接触状态图总结本案例阐述了螺栓预紧力建模的流程并对比了有无螺栓预紧力情况下的仿真结果。施加螺栓预紧力能够提升结构整体性、优化应力分布并提高节点刚度。【点击下方查看案例视频】