弹托弹芯结构接触静力学分析

元计算

1、问题描述：

弹托弹芯结构具有轴对称性，取总体的四分之一进行分析，几何模型如下图所示。

共有两种材料：外围弹托为金属铝材料结构，内部弹芯为金属钨材料结构，两种材料结构之间锯齿状啮合紧密。

图1  计算模型剖面图   （单位：mm）

图2  计算模型侧视图

2、材料参数：

只有两种材料：铝和钨。

表1  材料参数取值

参 数	弹性模量E	泊松比	密 度	X向加速度	Y向加速度	Z向加速度
单 位	N/mm2		g/cm3	mm/s2	mm/s2	mm/s2
金属铝	1.03×107	0.33	2.7	0	0	0
金属钨	3.6×105	0.346	17.6	0	0	0

3、边界条件：

由于结构的轴对称性，因此在四分之一剖切面处施加法向位移约束，另外在金属铝结构外表面两处位置（如下图位移边界条件所示中“黄色”面）施加沿轴向的位移约束边界条件。

图3  位移边界条件

金属钨结构沿轴向的顶面和底面，以及金属铝结构外表面、金属钨结构外表面的局部位置施加应力边界条件（如下图应力边界条件所示中“蓝色”面）。

图4  应力边界条件

4、计算方案

设计了两种计算方案，施加不同的应力边界。

对照图4（本页）中应力边界条件的施加，两种方案如下表：

表2  不同计算方案下的应力边界

边 界	应力边界1	应力边界2	应力边界3
单 位	N/ mm 2	N/ mm 2	N/ mm 2
方案1	362	800	600
方案2	362	200	362

注：“应力边界1”对应图4中的“蓝色”边界“1”；

“应力边界2”对应图4中的“绿色”边界“2”；

“应力边界3”对应图4中的“黄色”边界“3”；

应力边界以正值“+”为“压应力”，负值“-”为“拉应力”。

5、网格离散

采用四节点四面体单元剖分三维网格。

剖分结果：节点总数：18,379；

          单元总数：87,318。

网格质量良好。

   

图5  三维网格图

6、计算结果

位移：

在应力边界作用下，轴向最大位移为0.017 mm（如图6中的“红色”部位）。

图6  沿轴向变形云纹图  （单位：mm）

图7  剖面变形前后对照图

应力

最大拉应力1552 MPa（如图8中的“红色”部位），最大压应力3110 MPa（如图9中的“蓝色”部位）。

图8  第一主应力云纹图  （单位：N/mm2）

图9  第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）

图10  剖面第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）

7、考虑部分接触计算

前述两方案中均假定弹托与弹芯之间锯齿状啮合紧密，无相对变形。

本计算认为弹托与弹芯之间部分啮合紧密，而部分则存在缝隙，如图11，共在11处布置了宽度为0.01 mm的缝隙。

图11  缝隙分布图

计算位移结果：

在应力边界作用下，轴向最大位移为0.005 mm（如图12中的“蓝色”部位）。

图12 沿轴向变形云纹图  （单位：mm）

计算应力结果：

最大拉应力681 MPa（如图13中的“红色”部位），最大压应力3202 MPa（如图14中的“蓝色”部位）。

图13  第一主应力云纹图  （单位：N/mm2）

图14  第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）

图15  剖面第三主应力云纹图  （单位：N/mm2）