热收缩方法在结构有限元仿真中的应用,该文是关于有限元方面论文写作技巧范文和有限元和热收缩和仿真有关论文写作技巧范文.
有限元论文参考文献：
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3D 模型中的初始过盈或干涉.本文针对某设备中的套筒和橡胶圈模型,使用先降温收缩然后恢复至参考温度的方法,进行结构装配有限元仿真,该方法可以应用在过盈装配（冷缩配合）产品的设备的结构仿真中.
一、引言
机械设备中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.设计工程师通常按照产品的真实尺寸建模,因此三维模型中过盈装配的两个部件会存在干涉,如果使用存在初始干涉的三维模型进行有限元仿真,通常的方法是在干涉的部件之间设置“过盈装配”.这种模型属于接触关系的一种,通常应用在过盈量不是很大的情况下,容易取得收敛结果.但是对于有些过盈量特别大的模型,在有限元软件中采用直接设置过盈装配的方法,计算非常不容易收敛.另外一种方法是,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盈,然后对部件设置温度属性曲线,逐步恢复至环境温度,部件会膨胀,与其他部件产生接触从而形成过盈配合.
二、问题描述
该模型中绿色部件是金属套筒,灰色部件是橡胶圈（图1）.该结构装配后的正常位置应该是橡胶圈在套筒内部,但是实际的初始三维模型中,橡胶圈在套筒外部,即存在初始过盈,如图2 剖面图所示.
我们使用SOLIDWORKS Simulation 有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筒的应力和变形.
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.
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.
（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-140 摄氏度,并设置图8 所示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-140 摄氏度的温度满足计算要求,如图9 所示.
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10 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.
（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11 所示.
（3）橡胶圈温度设置.在第二个算例中,我们设置橡胶圈的初始温度时-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12 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筒内部,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.
（4）计算结果.从计算结果可以看出,随着计算时间的进行,橡胶圈会逐渐与套筒产生接触,如图13 所示.
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,通过添加温度时间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SOLIDWORKS Simulation 进行仿真计算,但这种处理方法适用于多种结构有限元仿真软件.
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