球体的赫兹接触计算与ANSYS实现
责任编辑:沐小月     时间:2021-04-16     来源:仿真学习与应用
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分类: 技术分享
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我们以两个直径为100mm,泊松比为0.3、弹性模量为200Gpa的球体为例,假设外载F=1000N,分别基于赫兹公式ANSYS软件计算一下接触面面半径和最大接触应力:

一、基于赫兹公式的计算

同样,对于赫兹公式的计算,笔者编了一个简单的Python小程序,程序代码如下:

根据计算结果我们发现,该问题中两物体的接触面半宽为0.5546mm,远小于接触物体的结构尺寸,因此符合赫兹公式的假设

 

二、基于ANSYS软件的计算

使用ANSYS计算时,只需要在公众号文章《平行圆柱体的赫兹接触计算与ANSYS实现》基础上,做如下修改即可:
 

Step1 平面分析设置修改

Step5中的2D Behavior修改成Axisymmetric(轴对称)。

 

Step2 删除轴对称设置

Step6中的轴对称设置删除

Step3 修改网格设置

因为我们刚才计算出的接触面半径为0.5546mm,所以此处我们将Step7中的影响球半径修改为1mm。

Step4

修改载荷设置

理论计算时载荷为1000 N,我们现在使用的是轴对称模型,因此需要对载荷进行一定的换算。

此处笔者使用的是Pressure加载,具体的换算方法是:

Pressure = 载荷 / 球截面面积= 1000 /(π*50*50)= 0.12732 MPa

Step5

求解及后处理

在结果中插入接触工具Contact Tool,提取接触压力Pressure赫兹公式中的接触应力),可以看出,计算结果为1551.4 MPa,与赫兹公式解出的1552.0759 MPa几乎完全一致。

对于接触面半径的提取,我们可以在ANSYS APDL中实现,具体步骤如下:
 

Step6 建立Workbench与APDL的连接

Step7 查看接触压力分布

在通用后处理的Results Viewer中,显示接触压力结果。我们发现接触部分的接触压力的确呈半椭圆分布。
 

Step8 查看接触面半径

笔者查看接触面半径的方式是:使用DISTNP(N1,N2)函数测量最大接触压力节点和最小接触压力节点的距离。通过接触压力的分布图,我们找到最大接触压力节点为1节点,最小接触压力节点为226节点。我们在命令行中输入b = DISTND(1,226),命令输出窗口即显示b的值为0.5604

对比使用赫兹公式计算出的接触面半径0.5546mm,ANSYS计算的接触面半径0.5604mm,误差为1.05%,误差非常小。
 


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