基于ANSYS的陶瓷套管接触分析探讨

基于ANSYS的陶瓷套管接触分析探讨

作者：许积文

来源：《科学与财富》2011年第01期

[摘 要] 陶瓷套管具有许多的优越性，使其应用于当前的各大工业领域。文中介绍了研究开发中普遍应用的ANSYS有限元分析软件关于非线性分析（特别是接触）的一些基础知识，并详细分析了如何应用ANSYS软件研究陶瓷套管工作过程中的接触问题，主要步骤包括建模及划分网格、定义接触对、施加载荷并求解、查看结果及后处理等。 [关键词] ANSYS 陶瓷套管 接触分析

套管在日常生活和工业生产中应用普遍，陶瓷套管又是随着陶瓷工业的发展而出现的。对于套管在使用过程中的接触问题，从最早的经典分析方法，发展到现在普遍采用的数值分析方法（包括有限元法（Finite Element Method，简称FEM）、边界元法（Boundary Element Method，简称BEM）和数学规划法），特别是随着有限单元法的发展，以及ANSYS等高级有限元分析软件的出现，给套管接触问题的研究带来了极大的帮助。 1、ANSYS非线性分析 1.1非线性分析

非线性结构的基本特征是变化的结构刚性。非线性分析的类型包括由于结构的状态发生改变（包括接触）造成的非线性（图1a）、由于结构的形状变化造成的非线性（图1b）和由于结构材料性质的变化造成的非线性（图1c）。 1.2接触分析

接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行有效的计算，理解问题的特性和建立合力的模型是很重要的。

接触问题分为两种基本类型：刚体—柔体的接触和柔体—柔体的接触。在刚体—柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当做刚体（与它接触的变形体相比，有大得多的刚度）。一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体—柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触。另一类，柔体—柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有近似的刚度）。

接触分析存在两个较大的难点：其一，在求解问题之前，并不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这随载荷、材料、边界条件、和其他因素而定；其二，大

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多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供选择，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。除了上面两个难点外，许多接触问题还必须涉及到多物理场影响，如接触区域的热传导、电流等，更增加了求解的难度。 2、陶瓷套管

陶瓷的传统概念是指所有以粘土等无机非金属矿物为原料的人工工业产品，包括由粘土或含有粘土的混合物经混炼、成形、煅烧而制成的各种制品。对于它的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物（如粘土、长石、石英等），因此与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业，同属于“硅酸盐工业”（Silicate Industry）的范畴。

陶瓷套管（图2）主要由氧化铝或氧化锆等陶瓷材料添加少量助剂，经适宜的生产工艺加工而成。主要用于机械设备上的耐磨部件，具有优异的机械强度、耐强酸碱腐蚀、抗热震性能优良等特点。当前，陶瓷套管的主要发展方向有：耐磨陶瓷套管，耐高温陶瓷套管，耐腐蚀陶瓷套管等。

3、陶瓷套管的接触分析 3.1问题描述

如图3a所示，一个圆柱陶瓷套管和套筒，套管直径比套筒孔直径稍微大一点，他们之间由于接触而产生应力应变。由于对称性，可以只取模型的四分之一（如图3b）来进行分析，并分成两个载荷步来求解，第一个载荷步是观察套管接触面的应力，第二个载荷步是观察套管拔出过程中的应力、接触压力和反力等。模型具体参数见表1。 3.2建立模型并划分网格（图4） 3.3定义接触对（图5） 3.4施加载荷并求解

针对陶瓷套管接触问题，施加载荷和求解的过程主要包括：（1）在剖切的4个面上施加对称位移约束；（2）在套筒左边的面上施加全约束；（3）求解第一个载荷步；（4）施加节点位移；（5）求解第二个载荷步。 3.5结果显示及后处理

(1)第一个载荷步Von-Mises应力云图显示（图6） (2)第一个载荷步接触面压力云图显示（图7）

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(3)第二个载荷步Von-Mises应力云图显示（图8）

(4)绘制节点反力随时间的变化图（图9）。在模型上拾取套管端部的任何一个节点（即Z坐标为5的任何一个节点）。 4、结语

针对陶瓷套管的接触问题，我们可以采取多种方法，运用ANSYS软件分析接触问题，能够将预期的结果清楚地以图形的方式展现出来。当然，通过软件计算之后，我们还必须结合一些其它的方法来校核，比如试验法。

因此，重视ANSYS等有限元分析软件的应用，对一些复杂问题（比如接触问题）的分析，带来了极大的方便，对工业生产具有十分重要的研究意义。 参 考 文 献

[1] 王庆五,左昉,胡仁喜等.ANSYS 10.0机械设计高级应用实例(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2006:180-182.

[2] 王建江,胡仁喜,刘英林等.ANSYS 11.0结构与热力学有限元分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2008:424-433.■

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