卡头压进卡座的力学过程分析.docVIP

2014 年 9 月 10日 卡头压进卡座的力学过程分析 工程背景： 结构的非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例地变化。根据形成原因的不同，非线性分为几何非线性、材料非线性和状态非线性。随着计算机性能的不断提高，有限元方法在非线性领域得到了广泛的应用。本文给出了ansys在状态非线性领域的应用。 结构所处状态的不同引起结构的响应的非线性称为状态非线性。许多普通结构都表现出一种与状态相关的非线性行为，状态改变也许和载荷直接相关，也可能由某种外部原因引起。 卡头与卡座连接具有结构简单，可靠性高，通用性强，易于维修，效率高等特点。并且可以通过对卡头与卡座的结构尺寸进行改变来满足不同场合的应用要求。例如手机双SIM卡座，触点密封式IC卡座，立式车床双卡点高卡座等各种各样的应用场合。卡头与卡座连接过程中属于接触非线性问题，连接过程中会产生较大的变形和应力，本文利用数值模拟的方法，通过对卡头压进卡座的过程进行变形和受力分析，确定其变形和受力的范围和危险部位，为其优化设计奠定基础。 1.问题描述 图1为一弹簧卡子和卡座的示意图，假定卡头和卡座的底板是刚性的，试对卡走进行力学过程分析。 图1 卡子和卡座结构示意图 材料参数： 弹性模量E=3600Mpa； 泊松比v=0.32； 摩擦系数=0.2； 厚度为5mm 图中各点的坐标如下： 1（5，40，0）；2（12.7，40，0）；3（15，48.5，0）；4(10，50，0); 5(12.5，60，0)；6（5，60，0）；7（12.5，30.0）；8（10，20，0）； 9（15，18.5，0）10（10，0，0）11（20，0，0）；12（20，30，0）； 13（0，0，0）；14（30，0，0）；15（-5，0，0）；16（-5，30，0）； 17（0，60，0）；18（25，30，0）；19（25，65，0）；20（0，65，0）； 2.问题分析： 该问题属于状态非线性问题，ansys进行非线性分析的基本原理就是应用有限元法，将结构划分为有限个单元，在各个节点之间建立非线性方程组，非线性方程组的解法是非线性问题有限元分析所涉及的基本问题。非线性方程组通常可以表示如下： 或 （1.1） 方程（1.1）的具体形式通常取决于子问题的性质和离散的方法。a是待求的未知量，P（a）是a的线性函数向量，Q独立于a的已知向量。在以位移为未知量的有限元中，a是节点位移向量，Q是节点载荷向量。 非线性求解的近似方法是将载荷分成一系列的载荷向量，可以在几个载荷步内或者在一个载荷步的几个载荷步内施加载荷向量。在每个增量求解完成之后，继续进行下一个载荷增量之前，程序调整刚度矩阵，以反映刚度的非线性变化。遗憾的是，纯粹的增量近似不可避免的随着每一个载荷增量积累误差，导致结果最终失去平衡，误差越来越大。为了克服这一困难，ansys程序使用牛顿—拉普森平衡迭代方法（NR），它迫使每个载荷增量的末端的解在某个容限范围内达到平衡收敛。在每次求解前，NR方法估算出残差矢量，这个矢量对应于单元应力载荷的恢复力和所施加的载荷的差值。然后使用非平衡载荷进行线性求解，并核查收敛性。如果不满足收敛性准则，可重新估算非平衡载荷，修改刚度矩阵，获得新解。持续这种迭代过程直到问题收敛。 非线性求解被分成三个级别：载荷步、子步和平衡迭代。载荷步属于顶层级别，由在一定“时间”范围内确定的载荷步组成，并假定载荷在载荷步内是线性变化的。子步属于中间级别，在每一个载荷子步内，为了逐步加载，可以控制程序来执行多次求解。平衡迭代法属于底层级别，在每个子步内，程序将进行一系列的平衡迭代，以获得收敛的解。 3.FE模型建立过程 由于卡头和卡座的底板是刚性的，在建模过程中不予考虑；根据对称性，选取卡头和卡座的1/2建立几何模型。 （1）定义单元类型 由于结构是平面模型并属于接触问题，所以选择PLANE42（用于平面问题结构分析）四节点四边形单元和CONTACT171（主要用于平面结构和接触分析）接触单元进行求解。 （2）定义材料性能参数 定义材料的弹性模量为3600，泊松比为0.32，材料的摩擦系数为0.1。 （3）创建几何模型 建模采用从底向上的建模过程，首先建立关键点，再由点生成线，然后由线生成面。生成的模型如图2。 图2 卡头与卡座模型 （4）划分网格 由于形状规则，所以可采用映射网格划分方法，首先通过Manusize命令设置每条线的单元数目，再划分网格。划分网格的模型如图3。 图3 划分网格模型 （5）生成接触对 通过【Contact Wizard】 图4 第4子步变形 结果显示，节点103的总位