弹托弹芯结构接触静力学分析
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 |
弹性模量E |
泊松比 |
密 |
X向加速度 |
Y向加速度 |
Z向加速度 |
单 |
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 |
应力边界1 |
应力边界2 |
应力边界3 |
单 |
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）
