基于ANSYS的对卡簧包紧力的接触分析

　　1 前 言

　　在工程实际中会遇到大量的接触问题，如齿轮的啮合、法兰联接、轴承接触、卡头与卡座、轴孔配合、板成形等等，而接触是一种典型的状态非线性问题，具有高度的非线性，具体体现在如下方面。

　　( 1) 在分析之前，接触区域的范围与接触状态均未知，这也导致了系统刚度的变化。

　　( 2) 多数接触问题包含摩擦，而摩擦响应可能是混沌的，使问题的求解收敛困难。

　　( 3) 除了与其他部件接触，部件可能是无约束的，易使求解发生“溢出”而不收敛。

　　上述问题的存在使接触分析变得更加困难，因此需要合理地简化边界、调整约束、设置适当的接触参数使问题得以求解。

　　2 对水管接头的接触分析

　　2. 1 接触体的模型与材料属性

　　由于接触分析为非线性分析，需要耗费大量的计算资源，故应当对模型进行适当的简化以节省计算空间。在 Pro/E 中建立的水管接头部分三维模型如图1 所示，其中水管为复合材料，由内到外分别为 PPR、铝、PPR，PPR 的弹性模量为850MPa，泊松比为0. 38，铝的弹性模量为7 ×10⁴MPa，泊松比为 0. 33，水管最外层直径为25mm。铜管材料的弹性模量为1. 1 ×105MPa，泊松比为0. 3。卡簧的材料为65Mn，其弹性模量为2. 1 ×10⁵MPa，泊松比为0. 3，内径初始设计为24. 2mm，外径为30mm，保持不变。

　　当水管处于工作状态时，内部通有温度为 65°C、压力为1. 25MPa 的热水，需要求出此状态下卡簧对水管所产生的包紧应力，保证水管不被压坏又要有足够的包紧力使水管与铜管紧密接触而不至于漏水。由于在水温的影响下，铜管 和水管均有一定的热膨胀变形( 此时可以忽略卡簧的受热变形) ，需要先进行热分析，再进行接触分析，即采用热 - 应力分析中的间接耦合方法[1]，其中 PPR 的导热系数为0.21W / m·K，线膨胀系数为1. 5 × 10^{- 4}m / m·K，铝的导热系数为209W/m·K，线膨胀系数为2. 34 ×10^{- 5}m / m·K，铜的导热系数为384W / m·K，线膨胀系数为1. 7 ×10^{- 5}m / m·K。

　　2. 2 对铜管和水管进行热分析

　　通过 Pro/E 与 ANSYS 的专用接口将整个模型导入 ANSYS 中，并选择热力学单元Solid90，输入相关的材料属性后，将铜管与水管模型粘接使温度载荷能传递，然后划分网格，并在铜管内施加65°C 的恒温载荷，水管最外层施加常温为20°C，空气对流系数为15W / m2·K 的对流载荷，求解的结果如图2 所示。

　　2. 3 对水管接头进行接触分析ANSYS 将接触问题分为刚体 - 柔体接触和柔体- 柔体接触[2]，考虑到模型中的卡簧和水管均发生变形，故建立柔体 - 柔体接触。具体步骤如下: