热收缩方法在结构有限元仿真中的应用

［】【　软件世界　热收缩方法在结构有限元仿真中　的应用　达索析统（上海）信息技术有限公司彭军　在有限元模型中，降低部件的初始温度可以使部件收缩　从而消除３Ｉ）模型中的初始过盈或干涉。本史针对某设备中　的套简和橡胶幽模型，使用先降温收缩然后恢复至参考温度　的方法，进仃结构装配有限元仿真，该疗法可以应用在过盈　装配（冷绵　合）产品的设备的结构仿真中。　一、引言　机械设备巾经常采用过盈装配的方法进行连接，即装配　配合中的部件会有初始过盈。设汁：［程师通常按照产品的真　实尺寸建模．因此兰维模型中过盈装配的两个部件会存　ｌ卜涉，如果使ＪｆＪ仔在初始干涉的三维模型进行有限元仿真，通　常的方法是任十涉的部件之间设置“过盈装配”。这种模型　属于接触关系的一种，通常应用在过盈最不是很大的情况下，　容易取得收敛结果。但是对于有些过盈量特别大的模型，在　有限元软件巾采Ｈ｛直接设置过盈装配的方法，计算非常不容　易收敛。另外　种方法是，先将过盈部件的初始温度设置成　一个较低的温度，由于材料热胀冷缩的属性，部件会收缩消　除掉初始过僦，然后对部件设置温度属性曲线，逐步恢复至　环境温度，　件会膨胀，与其他部件产牛接触从而形成过盈　西Ｉ　合　二、问题描述　该模型巾绿色部件是金属套筒，灰色部件是橡胶圈（　１）。　该结构装配后的正常位置应该是橡胶圈在套筒内部，但是实　５２　际的仞始三　维模型中，橡胶圈在套筒外部，即存在仞始过德，　如图２剖面图所示。　我们使用Ｓ０ＬＩＤｗ０ＲＫＳ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ仃限元仿真软件　对该模型进行结构应力分析，得到装配后橡胶和套简的　力　和变形。　图２结构剖面图　三、分析思路　由于存在超弹性橡胶材料，因此我们需要采用非线性静　投稿邮箱Ｉ　Ｍ　Ｏ。　￣　ＩＮＡ“　　Ｓｏｆｔｗａ　ｒｅ｛圆　力分析。为了消除初始的过盈，我们将对橡胶部件进行降温，　但究竟降低至何温度才能刚好消除过盈，我们事先并不知道。　因此我们将创建两个非线性仿真：第一个仿真中，我们　蛔Ｈ峨　：殛　壅　蘸：　＿啦∞：　：Ｉ　………！　乜Ｉｉ髓麟咖　！ｊ　不设置任何接触关系，仅对橡胶圈进行降温，进行多次尝试，　得到一个比较合理的降温温度，在该降温温度时，橡胶圈能　收缩至套筒内部；第二个仿真中，设置接触关系，使用第一　缬瘩ＩａＤ　名称　：　Ｔｈ・ｒ　ｔ　帅　酬｛Ｏ岫∞‘ｌ，　ｌ…　憋垫宴　一ｊ　黯　溺啊　墅Ｌ一＿＿．　１＾－　．．Ｉｆｏ．ｔＩＩｏ｝Ｉｌｌ　毫敏敛　个仿真中得到的降温温度进行接触配合计算，得到应力结果。　＊　睦棚毗　ｆ　…　１　四、Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ仿真算例设置　１．第一个非线性仿真　（１）建立非线性静力分析步，为减小计算量，对该模　型使用２Ｄ简化，使用轴对称２Ｄ模型进行计算，选择相应　的剖切面和对称轴，如图３所示。　对科囊性　图４套筒材料属性　■■嶷整∞　，　平ｉ嘲髓『ｃｓｊ　｛平函妇ｍ　砌　彗嘘　ｉ塑甄　・ｍ　ｇ　匮　遁　二　棚峨　醺：３　１　：包Ｉ嘲戤蟥　１２－；］　圈埘睬（Ａ）　髑　：　Ｔｈ　№　黑譬　默计¨　鹰　…二ｊ＿　谶　０：采　＠　Ｒｕｂ　舭糙：　厂面　］　—薯畦如封哺　：Ｐ　　“ｆ・　瓣　图５橡胶圈材料属性　，　ｊ蓖甩另—边归＇　置　ｌ酷　图３非线性２Ｄ简化轴对称　图６边界条件及２Ｄ截面　（２）材料属性。定义套筒材料为合金钢如图４所示，　橡胶圈材料为超弹性Ｍｏｏｎｅｙ—Ｒｉｖｌｉｎ橡胶材料如图５所示。　特别需要注意的是，热膨胀系数这个参数非常重要，该参数　决定了体积收缩变形量与温度变化之间的关系。　（３）边界条件。对套筒一端施加完全固定约束，２Ｄ截　面及初始位置，如图６所示。　（４）参考温度设置。设置模型的参考温度，参考温度　即模型部件应变为０时的温度，如图７所示。　（５）温度设置。在外部载荷中将套筒温度设置为０摄　氏度，将橡胶圈温度设置为一１４０摄氏度，并设置图８所示　图７参考温度设置　璺箜曼堕　ｗｗｗ　ｌｄｎｏｖ０　Ｃｏｍ　ｃ　！！　［】【　软件世界　ｎ　［二０　嚣　　图Ｕ相船面　（３）橡胶圈温度设置。在第二个算例中，我们设置橡　图８橡胶圈温度及时间曲线设置　胶圈的初始温度时～１４０摄氏度，而在计算结束时间点设置　温度为０，这与第一个非线性算例的温度时间曲线设置完全　相反，如图ｌ２所示。即橡胶圈温度从低温逐渐恢复至参考　温度，也即橡胶圈初始位置位于套简内部，没有过盈或干涉，　随着计算的进行逐渐扩张并与套筒内壁面接触。　的线性变化时间曲线。　（６）计算结果。划分网格提交计算并查看该非线性计　算的变形结果图，发现橡胶圈已经完全收缩至套筒内部，说　明使用～ｉ４０摄氏度的温度满足计算要求，如图９所示。　图９位移结果图　２．第二个非线性仿真　（１）复制算例。为了减少前述相关边界载荷等设置，　可将第一个非线性仿真算例复制成第二个非线性仿真算例，　如图ｌ０所示。我们仅需要对第二个非线性算例添加接触关　系和修改温度曲线即可。　图ｌ２橡胶圈温度及时间曲线设置　Ｘ　信息　，、　（４）计算结果。从计算结果可以看出，随着计算时间　的进行，橡胶圈会逐渐与套简产生接触，如图ｌ３昕示。　此功嬲允ｉ午您将选定孽恻曩触到相同或　；Ｆ凋尝骞岫蟑ｌｉ｜喇．崩　来自痨嘲｝嬲的ｊ　攥瞰特征持礁麓黼翻新算恻中，酗据是Ｉ　新篝嘲支持逮些特征．　砑嗵倒　喀Ｊｌｎ蚰一ｔＩ’　ｓＩ．ｒｉ．’ｂ　－Ｉ　算鹈名称：　菲线性２　罂使用的配置：　ｔ＝Ｕ．ｕ０　ｔ＝Ｏ　１　图ｌ３接触变形图（已缩放）　唾　二二二二二］选项ｉ要堡璺塑里墨：ｌ　　五、结语　在结构有限元仿真中，热收缩（降温收缩）方法可以很　方便地用于处理初始三维模型的大过盈干涉问题，通过添加　温度Ｂ，￣Ｉ＇ｎｑ曲线来控制部件的收缩和扩张变形，进而产生接触　作用。本文虽然采用ＳＯＵＤＷ０ＲＫＳ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ进行仿真　囹　图ｌＯ复带　非线性算例　（２）接触面组设置。在橡胶圈和套筒之间设置无穿透　接触面组，如图ｌ１所示。　计算，但这种处理方法适用于多种结构有限元仿真软件。口　投稿邮箱ｌ　ＩｃＭａｄｃｃＨａＩｍＮ＠Ａ＠ｉｄｎｌｄｏｎｖ。ｏｖ　，０ｃｌｏ。ｍ。ｍ．ｃｎ。ｎ