【技術(shù)篇】ANSYS WORKBENCH摩擦生熱分析

在一個(gè)定塊上,有一個(gè)滑塊。在滑塊頂頂面上施加一垂直于表面指向定塊的10MPa的分布力系?，F(xiàn)在滑塊在定塊表面上滑行3.75mm,要求摩擦而產(chǎn)生的熱量,并計(jì)算滑塊和定塊內(nèi)部的溫度分布和應(yīng)力分布。

定塊的尺寸:寬5mm,高1.25mm,厚1mm

滑塊的尺寸:寬1.25mm,高1.5mm,厚1mm

材料:彈性模量:7e10Pa;泊松比:0.3;密度:2700kg/m(3);熱膨脹系數(shù):23.86e-6/k;摩擦系數(shù):0.2;熱導(dǎo)率:150W/(M K);比熱:900J/(kg K)。

1、進(jìn)入ANSYS WORKBENCH

2、創(chuàng)建瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)

3、設(shè)置材料屬性

雙擊engineering data,加入新材料,命名為al,設(shè)置屬性如下

4、創(chuàng)建幾何模型

雙擊geometry,進(jìn)入到DM。設(shè)置長(zhǎng)度單位是毫米

首先創(chuàng)建兩個(gè)草圖

其幾何圖形及尺寸如下圖

分別拉伸這兩個(gè)草圖,得到兩個(gè)面體,并設(shè)置其厚度均為1mm

存盤,退出DM

設(shè)置幾何單元的屬性為2D實(shí)體,表要做平面問題的分析

5、設(shè)置單元類型

雙擊MODEL,進(jìn)入到MECHANICAL中

(1)設(shè)置是平面應(yīng)力問題

(2)設(shè)置材料屬性

將兩個(gè)物體的材料都設(shè)置為AL

(3)設(shè)置單元屬性

設(shè)置這兩個(gè)物體的單元屬性,都設(shè)置為熱-結(jié)構(gòu)耦合單元PLANE223.

為了做到這一點(diǎn),首先對(duì)滑塊添加一個(gè)命令對(duì)象

在窗口中輸入定義單元類型的APDL命令

該命令對(duì)滑塊設(shè)置其單元類型是PLANE223,并確定其關(guān)鍵字是11,該關(guān)鍵字意味著此單元用作熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

將該命令拷貝到定塊中,設(shè)置定塊也使用同樣的耦合單元

6、設(shè)置接觸

(1)設(shè)置接觸特性

設(shè)置滑塊和定塊之間發(fā)生摩擦接觸

并對(duì)該接觸設(shè)置如下

即設(shè)置為摩擦系數(shù)是0.2的有摩擦接觸,非對(duì)稱接觸,使用增強(qiáng)的拉格朗日算法,每次迭代均更新接觸剛度

(2)設(shè)置接觸單元包含位移和溫度自由度

在該接觸下面添加APDL命令

在出現(xiàn)的文件窗口中輸入下列命令

其含義是,對(duì)于接觸單元contac172,設(shè)置其1號(hào)關(guān)鍵字是1,從ansys幫助中,可以知道該關(guān)鍵字為1的含義是,接觸單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)均包含有UX,UY,TEMP三個(gè)自由度。即意味著是熱-結(jié)構(gòu)耦合問題。

為了防止上述命令在ANSYS自動(dòng)更新時(shí)被刪除,設(shè)置connections的屬性如下

7、劃分網(wǎng)格

設(shè)置單元尺寸為0.1mm,劃分網(wǎng)格

8、設(shè)置載荷步

首先先設(shè)置兩個(gè)載荷步

然后再設(shè)置第一個(gè)載荷步的結(jié)束時(shí)間,時(shí)間步長(zhǎng)等

以及第二個(gè)載荷步

9、固定定塊

定塊的位移全固定

10、施加壓力

在滑塊的上邊線上施加豎直向下的均布載荷10MPa

11、施加位移

給滑塊的右側(cè)邊施加位移

其X方向位移如下表。即在3.75毫秒時(shí)已經(jīng)移動(dòng)了3.75mm,然后一直維持到0.2秒不動(dòng)。

12、設(shè)置求解算法

首先在transient下插入命令

然后在出現(xiàn)的文本窗口中輸入如下命令流

其含義如下

/solu-----------進(jìn)入到solu求解程序中

allsel---------選擇所有的節(jié)點(diǎn)和單元參與計(jì)算

tref,0---------定義熱應(yīng)變分析的參考溫度是0

trnopt,full-----定義瞬態(tài)分析的算法:完全法

timint,off,struc-----對(duì)于結(jié)構(gòu)有關(guān)的自由度UX,UY,關(guān)閉瞬態(tài)效果(即不考慮質(zhì)量或者慣性作用),這樣只是做瞬態(tài)熱分析

tintp,,,,1.0-----定義瞬態(tài)熱分析的積分參數(shù)。這里定義了一階瞬態(tài)熱分析的積分參數(shù)是1.0

另外,確定是每個(gè)時(shí)間步均執(zhí)行上述命令流

13、計(jì)算

14、后處理

插入總變形,等效應(yīng)力

插入自定義結(jié)果,在表達(dá)式中取出系統(tǒng)的溫度變量

更新得到下列結(jié)果

等效應(yīng)力如下

可見,在滑動(dòng)的過程中,滑塊的右下角點(diǎn)有最大的應(yīng)力,而定塊的應(yīng)力均勻。

最后時(shí)刻的溫度分布如下

可見,因?yàn)槭褂昧四J(rèn)的絕熱邊界條件,動(dòng)塊和定塊的溫度均趨于均勻。而且,定塊和動(dòng)塊之間,由于默認(rèn)的熱阻是無(wú)限大,所以,雖然二者有溫度差,但是在兩個(gè)物塊之間并沒有熱傳遞行為發(fā)生。這與實(shí)際情況是有區(qū)別的。

下面是最高溫度的變化線圖

可見,在動(dòng)塊剛滑移到終點(diǎn)時(shí)刻,溫度急劇上升到最高4.3k,然后動(dòng)塊靜止。由于是絕熱邊界條件,熱向兩個(gè)物體內(nèi)部漸漸擴(kuò)散,從而最高溫度漸漸降低。

下面是動(dòng)塊滑動(dòng)過程中某一瞬間的溫度云圖。