Ansys Workbench过盈配合仿真详解
Ansys Workbench过盈配合仿真详解
过盈配合是一种常见的机械连接技术，其装配精度和可靠性对整体设备性能至关重要。本文通过一个具体的销轴过盈配合实例，详细介绍了使用Ansys Workbench进行过盈配合仿真的全过程，包括几何模型构建、材料属性定义、接触关系设置、网格划分、边界条件设定、求解设置以及后处理分析。通过本文，读者可以掌握Ansys Workbench在过盈配合仿真中的具体应用方法。
在现代工程设计中，过盈配合是一种常见的连接技术，它能够提供较高的装配精度和可靠连接。过盈量选取至关重要，过盈量太大将会导致装配困难甚至破坏零部件，而过盈量太小又将会导致过盈力不足以承受预期负载。
为了确保过盈配合的效果，进行仿真分析显得格外重要。本文以实例详解的方式，介绍Ansys Workbench过盈配合仿真方法，以期为选取合理的过盈量提供一种有效手段。
1. 构建几何模型
在Solidworks环境下，构建考虑过盈公差的真实尺寸销轴过盈配合模型，如图1所示。其中，圆环外径100mm、内径50mm、厚度50mm，销轴直径50.04mm（过盈量为0.02mm）、厚度100mm。材料均为结构钢。
图1 销轴过盈配合几何模型
特别注意：通过在Solidworks中建立轴孔直径大小相等的理论尺寸模型，然后在ANSYS Workbench通过设置Offset值（正值为过盈），是过盈配合仿真的另一种方法。
2. 导入几何模型
完成三维模型后，将其导出为适合中间格式，通常是X_T、STEP或IGES格式。打开Ansys Workbench，建立项目分析流程图，右击流程图中的Geometry，进入DM界面，导入几何模型。
图2 销轴四分之一对称模型
由于销孔模型关于XZ、YZ平面对称，只需要取出四分之一进行分析即可（方法：Tools—>Symmetry—>对称平面—>右击Generate），如图2所示。
3. 定义材料属性
关闭DM界面，双击Static Structural中的Engineering Data，进入材料参数设置界面。本文采用默认的材料结构钢Structural Steel，如图3所示。
图3 定义材料属性
4. 设置接触关系
关闭Engineering Data界面，返回到ANSYS Workbench界面，双击Static Structural中的Model，进入Mechanical界面。展开模型树中的Connections，如图4所示，在下方列表中做如下设置：
1）选择接触面Contact Bodies为销轴外表面，目标面Target Bodies为圆环内表面；
2）设置接触类型为摩擦接触Frictional，取摩擦系数Frictional Coefficient为0.2；
3）设置接触行为Behavior选择非对称接触Asymmetric；
4）建模时已考虑过盈量，无需设置Offset值，省略改步设置。
图4 设置接触关系
5. 进行网格划分
模型较为规则简单，因此本文保持默认设置，直接右击模型树中的Mesh选择Generate Mesh进行自动网格划分，如图5所示。
图5 进行网格划分
6. 设置边界条件
设置对称的4个面为Frictionless Support，并固定约束圆环的外圆表面，如图6所示。
图6 设置边界条件
7. 进行求解设置
点击模型树中的Analysis Setting，开启大变形，即设置Large Deflection为On，如图7所示。其余保持默认设置。
图7 进行求解设置
8. 求解与后处理
右击模型树中的Solution，选择Solve，进行求解计算。求解完成后，添加并查看整体应力、整体变形、圆环变形、销轴变形，分别如图8-图11所示。
图8 整体应力云图
图9 整体变形云图
图10 圆环变形云图
图11 销轴变形云图
圆环最大变形为0.012mm，销轴最大变形为0.01mm，圆环变形与销轴变形之和为0.022mm与0.02mm很接近。符合变形协调条件，说明该方法所得仿真结果同样可信。
图12 选择接触面
右击分析树中的Solution—>Tools—>Contact Tools，主窗口中选择接触面，如图13所示。求解后，分别添加并查看接触面的接触状态Status、接触压力Pressure和接触面渗透量Penetration，分别如图13-图15所示。
图13 接触面的接触状态Status
图14 接触面接触压力Pressure
图15 接触面渗透量Penetration
通过比对两种过盈配合分析方法的仿真结果可以发现，两种方法得到的结果几乎是完全一致的，而且配合区域任意处圆环和销轴的最大变形之和约等于过盈量，说明两种过盈配合仿真方法可信，而且可以相互替代。
过盈量一般在绘制工程图纸时进行公差标注，而运用Solidworks画图时往往只按理论尺寸进行建模。因此，实际工程分析过盈配合时，建议采用设置Offset值法。