【技术篇】ANSYS WORKBENCH摩擦生热分析

在一个定块上,有一个滑块。在滑块顶顶面上施加一垂直于表面指向定块的10MPa的分布力系。现在滑块在定块表面上滑行3.75mm,要求摩擦而产生的热量,并计算滑块和定块内部的温度分布和应力分布。

定块的尺寸:宽5mm,高1.25mm,厚1mm

滑块的尺寸:宽1.25mm,高1.5mm,厚1mm

材料:弹性模量:7e10Pa;泊松比:0.3;密度:2700kg/m(3);热膨胀系数:23.86e-6/k;摩擦系数:0.2;热导率:150W/(M K);比热:900J/(kg K)。

1、进入ANSYS WORKBENCH

2、创建瞬态结构分析系统

3、设置材料属性

双击engineering data,加入新材料,命名为al,设置属性如下

4、创建几何模型

双击geometry,进入到DM。设置长度单位是毫米

首先创建两个草图

其几何图形及尺寸如下图

分别拉伸这两个草图,得到两个面体,并设置其厚度均为1mm

存盘,退出DM

设置几何单元的属性为2D实体,表要做平面问题的分析

5、设置单元类型

双击MODEL,进入到MECHANICAL中

(1)设置是平面应力问题

(2)设置材料属性

将两个物体的材料都设置为AL

(3)设置单元属性

设置这两个物体的单元属性,都设置为热-结构耦合单元PLANE223.

为了做到这一点,首先对滑块添加一个命令对象

在窗口中输入定义单元类型的APDL命令

该命令对滑块设置其单元类型是PLANE223,并确定其关键字是11,该关键字意味着此单元用作热-结构耦合分析

将该命令拷贝到定块中,设置定块也使用同样的耦合单元

6、设置接触

(1)设置接触特性

设置滑块和定块之间发生摩擦接触

并对该接触设置如下

即设置为摩擦系数是0.2的有摩擦接触,非对称接触,使用增强的拉格朗日算法,每次迭代均更新接触刚度

(2)设置接触单元包含位移和温度自由度

在该接触下面添加APDL命令

在出现的文件窗口中输入下列命令

其含义是,对于接触单元contac172,设置其1号关键字是1,从ansys帮助中,可以知道该关键字为1的含义是,接触单元每个节点均包含有UX,UY,TEMP三个自由度。即意味着是热-结构耦合问题。

为了防止上述命令在ANSYS自动更新时被删除,设置connections的属性如下

7、划分网格

设置单元尺寸为0.1mm,划分网格

8、设置载荷步

首先先设置两个载荷步

然后再设置第一个载荷步的结束时间,时间步长等

以及第二个载荷步

9、固定定块

定块的位移全固定

10、施加压力

在滑块的上边线上施加竖直向下的均布载荷10MPa

11、施加位移

给滑块的右侧边施加位移

其X方向位移如下表。即在3.75毫秒时已经移动了3.75mm,然后一直维持到0.2秒不动。

12、设置求解算法

首先在transient下插入命令

然后在出现的文本窗口中输入如下命令流

其含义如下

/solu-----------进入到solu求解程序中

allsel---------选择所有的节点和单元参与计算

tref,0---------定义热应变分析的参考温度是0

trnopt,full-----定义瞬态分析的算法:完全法

timint,off,struc-----对于结构有关的自由度UX,UY,关闭瞬态效果(即不考虑质量或者惯性作用),这样只是做瞬态热分析

tintp,,,,1.0-----定义瞬态热分析的积分参数。这里定义了一阶瞬态热分析的积分参数是1.0

另外,确定是每个时间步均执行上述命令流

13、计算

14、后处理

插入总变形,等效应力

插入自定义结果,在表达式中取出系统的温度变量

更新得到下列结果

等效应力如下

可见,在滑动的过程中,滑块的右下角点有最大的应力,而定块的应力均匀。

最后时刻的温度分布如下

可见,因为使用了默认的绝热边界条件,动块和定块的温度均趋于均匀。而且,定块和动块之间,由于默认的热阻是无限大,所以,虽然二者有温度差,但是在两个物块之间并没有热传递行为发生。这与实际情况是有区别的。

下面是最高温度的变化线图

可见,在动块刚滑移到终点时刻,温度急剧上升到最高4.3k,然后动块静止。由于是绝热边界条件,热向两个物体内部渐渐扩散,从而最高温度渐渐降低。

下面是动块滑动过程中某一瞬间的温度云图。