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,分别基于赫兹公式和ANSYS软件计算一下接触面面半径和最大接触应力:
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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:
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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
将Step5中的2D Behavior修改成Axisymmetric(轴对称)。
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Step2 删除轴对称设置
将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。
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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
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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。
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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
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Step7 查看接触压力分布
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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。