Ansys裝配應(yīng)力仿真的案例
裝配體熱應(yīng)力仿真分析建模的技巧與竅門
準確預(yù)測由不同材料構(gòu)成組件中的熱應(yīng)力是一個具有挑戰(zhàn)性的分析問題。熱致應(yīng)力由溫度梯度、支撐以及當連接材料具有不同熱膨脹系數(shù)（CTE）時產(chǎn)生。對于CTE不匹配的情況，即使溫度均勻，也會導致熱應(yīng)變的差異，從而引發(fā)機械應(yīng)變和應(yīng)力。針對這些連接的建模假設(shè)會對局部應(yīng)力產(chǎn)生重大影響。在對這類組件進行建模之前，仿真工程師必須回答的第一個問題是：是什么使部件保持在一起？是通過膠粘劑、焊接等形成的實際粘結(jié)，還是螺栓或彈簧提供的機械支撐？連接是否可以被假定為粘結(jié)，或者這是一個組件的裝配，其中各個部件可以自由滑動或分離？
從有限元分析（FEA）的角度來看，建模設(shè)置可以是貫穿式網(wǎng)格、粘結(jié)、無分離或摩擦接觸。這些不同的建模過程中的每一種在應(yīng)力報告的準確性和數(shù)值收斂性方面都會帶來數(shù)值方面的挑戰(zhàn)。膠粘劑或焊接材料的建模可能會被包含在模擬中，當這些連接件被忽略時，簡化的假設(shè)可能會產(chǎn)生數(shù)值誘導的應(yīng)力奇異。
為了更好地理解這些假設(shè)，本文提供了一系列對比連接模擬的結(jié)果，以幫助量化它們對界面材料應(yīng)力的相對影響。圖1展示了一個由多種具有不同熱膨脹系數(shù)的材料組成的螺栓法蘭連接的1/2對稱截面。該幾何形狀包括一層薄薄的軟材料和一層熱膨脹系數(shù)是與之配合的鋁制蓋板的2.5倍的熱不匹配材料。對于需要機械抵抗分離的特定情況，加載條件包括260攝氏度的均勻溫度和500磅的螺栓預(yù)緊力。
圖1不同熱膨脹系數(shù)的法蘭連接裝配體
貫穿式網(wǎng)格被用于定義與軟層的頂部和底部界面。這種軟界面層的熱不匹配會引起機械應(yīng)變，但由于該材料的低剛度，不會產(chǎn)生顯著的應(yīng)力。螺栓頭和螺母與兩個鋁制部件粘結(jié)在一起，這也會引起局部應(yīng)力集中，但在本研究中被忽略。這些模擬中的研究區(qū)域是熱不匹配材料與下部鋁制蓋板之間的界面，如圖1所示。
表1總結(jié)了九種不同的模擬，比較了作為該界面建模函數(shù)的名義應(yīng)力和峰值應(yīng)力。
展開 hypermesh-ansys聯(lián)合仿真模型裝配1
劃分好網(wǎng)格和賦予合適的單元后需要進行模型裝配，模型裝配的目的是將組成分析對象的若干部件在CAE層面建立連接，以實現(xiàn)力和位移的傳遞。模型建立裝配的實質(zhì)是在部件之間的連接位置實現(xiàn)節(jié)點的自由度耦合，根據(jù)不同耦合程度也就對應(yīng)著實際部件之間的裝配方式，下面逐一介紹。
首先是螺栓連接。
1.直接耦合
在螺栓孔周圍建立兩層單元（1層washer），如圖1.1，然后將上下螺栓孔的兩層單元的節(jié)點耦合到同一個節(jié)點上，這樣這些單元的自由度將全部相同，將有相同的位移。
圖1.1建立washer
圖1.2
圖1.3
左側(cè)紅色框里選擇自動計算，右側(cè)紅色框選中所有自由度，節(jié)點選擇螺栓孔周圍的兩層所有單元的節(jié)點。
圖1.4連接效果
需要說明，建立好連接后需要在新建的耦合節(jié)點上再建立一個質(zhì)量非常小的質(zhì)量單元，在《hypermesh-ansys聯(lián)合仿真之質(zhì)量單元》中已經(jīng)進行過說明。
2.建立螺栓梁單元
圖2.1
首先按照1中的方式分別在兩個孔建立耦合節(jié)點，如圖2.1和圖2.2.
圖2.2
然后以兩個新建的耦合節(jié)點為端點建立梁單元，如圖2.3紅色的梁單元。
圖2.3
3.建立實體單元
建立實體單元更接近實際結(jié)構(gòu)，但是計算量也會增加不少。采用實體單元有兩中方式，一種是螺栓與被連接件采用綁定約束，這種可以應(yīng)用于靜力學和線性動力學分析；另一種是螺栓與被連接件采用非線性接觸，此時不能應(yīng)用與線性動力學，但是可以應(yīng)用與非線性靜力學和動力學分析，當應(yīng)用于線性動力學時要么報錯要么自動將非線性接觸自動轉(zhuǎn)化為綁定接觸。
4.總結(jié)
上面3中建模方式采用策略如何？
展開 hypermesh-ansys聯(lián)合仿真模型裝配2
接著上一篇《hypermesh-ANSYS聯(lián)合仿真模型裝配1》繼續(xù)，這一篇介紹鉸鏈接的模型裝配。
圖1
在機械設(shè)備中經(jīng)常有百葉的安裝，比如門窗等，一般這些結(jié)構(gòu)在6自由度的某一個方向上的剛度是非常小的甚至接近為0，但在其他5個自由度上剛度是非常大的，如圖1是一對通過鉸鏈銷連接的門，其中一面固定，另一面可以繞藍色的銷旋轉(zhuǎn)，建模時可以將銷簡化為截面是圓形的梁單元，然后分別與兩側(cè)門建立連接關(guān)系。
圖2
銷與兩側(cè)門建立連接關(guān)系時，與紫色門建立6自由度耦合關(guān)系，紫色門為固定側(cè)加固定約束，與綠色門建立連接關(guān)系時建立5自由度耦合關(guān)系，釋放繞銷軸的旋轉(zhuǎn)自由度。連接效果圖如圖3所示。
圖3
圖4釋放旋轉(zhuǎn)自由度
圖5第一階模態(tài)振型
圖5是建立裝配模型后進行模態(tài)分析得到的第一階模態(tài)振型，振型為活動門繞銷旋轉(zhuǎn)。
展開 Ansys 院士私享講堂｜“一天跑完上億自由度”——大規(guī)模裝配-接觸仿真的最新突破
10 月 24 日 · 線下零距離 · 與 Ansys Fellow 朱永誼博士面對面
當產(chǎn)品復(fù)雜度從“零件”躍遷到“系統(tǒng)”，有限元模型動輒上億自由度，接觸對數(shù)量呈指數(shù)級增長。如何讓“超大規(guī)模裝配模型在 8 小時內(nèi)完成建模-求解-校核”成為日常，而非傳奇？
10 月 24 日（周五）下午，Ansys 總部院士朱永誼博士首次線下開講，帶來四大“黑科技”：
1
混合多點約束
“一個接觸對”自動識別固體-殼任意組合，依局部幾何秒選最優(yōu)約束，無需手動修正偏移或?qū)R法向，前處理更省力，結(jié)果更精準。
2
并行-接觸對自動分割
大接觸對智能拆分子域，核心數(shù)越高并行效率越穩(wěn)，拆分前后結(jié)果一致，全程無需手動干預(yù)。
3
統(tǒng)一非光滑接觸檢測
節(jié)點、高斯、Mortar 三法合一，求解器實時切換，輕松應(yīng)對棱邊、角點等極端接觸，復(fù)雜裝配收斂更穩(wěn)健。
4
自適應(yīng)穩(wěn)定求解
隱式?瞬態(tài)?半隱式自動接力，局部屈曲、材料軟化、接觸躍遷全程“一鍵求解”，原先難收斂的模型也能順利收斂。
關(guān)鍵詞：混合多點約束方法、接觸檢測、高性能計算、自適應(yīng)求解器方案
時間：2025年10月24日（周五），14:00-16:30
地點：上海
費用：免費（報名需審核，請正確填寫完整的單位名稱及郵箱等基本信息，以便成功報名）
嘉賓介紹：
朱永誼 博士 | Fellow, Ansys Inc (Part of Synopsys)
朱永誼博士是Ansys的院士，擁有超過40年的計算力學與有限元研發(fā)經(jīng)驗。
展開 
AnsysWB-FSW(攪拌摩擦焊熱應(yīng)力仿真) ￥10
由于溫度場會影響應(yīng)力分布，因此本示例采用了一個完全熱機械耦合模型。該模型由具有結(jié)構(gòu)和熱自由度的耦合場實體單元組成。模型包含兩塊矩形鋼板和一個圓柱形工具。在模型上施加了所有必要的機械和熱邊界條件。模擬分三個載荷步進行，分別代表過程中的壓入、停留和移動階段。
計算得出的摩擦熱生成量和塑性熱生成量表明，工具肩部與工件之間的摩擦是產(chǎn)生大部分熱量的原因。在板片的接觸界面處規(guī)定了一個粘結(jié)溫度，以此來模擬工具后面的焊接過程。當接觸表面的溫度超過這個粘結(jié)溫度時，接觸狀態(tài)就會轉(zhuǎn)變?yōu)檎辰Y(jié)狀態(tài)
AnsysWB-表面貼片電阻的熱載荷應(yīng)力仿真 ￥15
材料之間的熱膨脹差異會在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生熱應(yīng)力，
連接電阻與印刷電路板的焊料被視為裝配中最薄弱的環(huán)節(jié)，由于工作溫度高于焊料的
熔點，因此會產(chǎn)生稱為蠕變的變形。
AnsysWB-基于熱循環(huán)載荷的焊球熱應(yīng)力仿真 ￥15
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微電子元件是冷卻系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵鏈路。由于反復(fù)接通和斷開電源，微電子元件受
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到熱循環(huán)的作用，因此，焊點處出現(xiàn)裂紋，斷開了芯片與印刷電路板的連接，從而導
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致故障。
</div><p>本例基于 “非線性結(jié)構(gòu)材料模塊”中的模型 “黏塑性焊點”。</p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
<figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202512/attachment/cfacfaa56fd948108d043c368bd3c241.png" style="display: inline-block;" data-regular="true">
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展開 干貨 | ANSYS激光焊接過程熱應(yīng)力仿真應(yīng)用
激光焊接過程的溫度分布
大于500度以上的熱影響區(qū)域
2.激光焊過程熱應(yīng)力分析
進行瞬態(tài)熱分析—靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析的順序耦合分析，將瞬態(tài)熱分析獲得的溫度分布數(shù)據(jù)，傳遞到結(jié)構(gòu)模塊模擬激光焊接過程的熱翹曲、熱變形現(xiàn)象。
激光焊接熱應(yīng)力仿真流程
支撐條件與溫度導入如下：
溫度數(shù)據(jù)導入
應(yīng)力與接觸狀態(tài)（焊接緊固狀態(tài)）變化如下：
結(jié)構(gòu)應(yīng)力與焊接緊固狀態(tài)
3.總結(jié)
ANSYS Workbench界面可以很方便的進行移動熱源瞬態(tài)熱分析，可以考慮實際焊接過程中結(jié)構(gòu)連接狀態(tài)與高溫融合等因素的影響，解決焊接過程的溫度場與熱應(yīng)力計算，為設(shè)計和工藝提供可靠的數(shù)據(jù)參考。
展開 AnsysWB-基于過盈配合的BWM_i3電機轉(zhuǎn)子應(yīng)力仿真 ￥10
AnsysWB-基于過盈配合的BWM_i3電機轉(zhuǎn)子應(yīng)力仿真
1.模型包含電機轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸
2.轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)軸施加過盈接觸配合
3.轉(zhuǎn)軸施加峰值扭矩250Nm的載荷
4.評估轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力和變形情況
5.參考時請考慮仿真模型與實際模型存在的偏差
不銹鋼表面Fe-Al梯度涂層的ANSY殘余應(yīng)力仿真分析
而對于ansy軟件的使用，需要使用者對理論知識和實踐知識都有很深刻的認識，需要你不斷地在實踐中運用于學習。
本案例講述的是在316L不銹鋼表面沉積Fe-Al功能涂層后，利用ansys仿真在Fe-Al涂層沉積完畢冷卻后在基體和圖層內(nèi)部產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
在這個案例里面，你將掌握軸對稱單元的應(yīng)用、熱結(jié)構(gòu)耦合方式的求解、瞬態(tài)分析的步長等基礎(chǔ)知識。
基體和圖層內(nèi)部的殘余應(yīng)力是由于溫度冷卻的不一致而引起的。屬于熱—結(jié)構(gòu)耦合場問題。在ansys里面，求解耦合場問題，有兩種方式，一種是直接耦合，熱與結(jié)構(gòu)耦合方程同時求解，要用到熱—結(jié)構(gòu)耦合單元。另一種是間接求解方式，求解分兩步走，第一步求解溫度場，第二步在求解溫度場的基礎(chǔ)上根據(jù)熱膨脹系數(shù)求解應(yīng)力場，分別用到熱單元和結(jié)構(gòu)單元。本案例中采用間接求解的方式。
為了使求解問題簡單化，同時不偏離實際過程。考慮到降溫過程材料的非線性變化，對模型我們要做以下假設(shè)：（1）涂層在制備時溫度處于應(yīng)力自由狀態(tài)（2）涂層在制備過程中不產(chǎn)生塑性變形或蠕變（3）不考慮材料相變引起的熱問題（4）假設(shè)涂層與基體、涂層與涂層之間不產(chǎn)生相對滑動。
模型為圓柱形，不銹鋼基體尺寸為φ25×0.8mm，涂層的厚度為2μm，涂層從下往上依次為Fe3Al、FeAl、Fe2Al5、FeAl3。采用軸對稱方式進行模型的建立，熱單元選用平面四節(jié)點單元plane55，網(wǎng)格的劃分采用映射網(wǎng)格劃分方式。在求解溫度場的分布之后，利用ETCHG,TTS命令轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)求解，同時利用LDREAD,TEMP,,,t,
,'l','rth',' '讀入熱分析的計算結(jié)果，作為應(yīng)力求解的載荷條件，熱應(yīng)力的求解參考溫度為680℃。
以下是求解的分析結(jié)果。
展開 Ansys攜手臺積電和微軟加速機械應(yīng)力仿真，基于云技術(shù)實現(xiàn)3D-IC可靠性
<p><strong>該聯(lián)合解決方案為分析2.5D/3D-IC多芯片系統(tǒng)中的機械應(yīng)力提供快速、高容量的云解決方案，以提高產(chǎn)品可靠性</strong></p><p><br></p><p><strong>主要亮點</strong></p><ul><li>管理熱機械應(yīng)力對于3D-IC的可靠性和魯棒性至關(guān)重要</li><li>Ansys與臺積電和微軟展開合作，為分析采用臺積電3DFabric技術(shù)的多芯片設(shè)計中的機械應(yīng)力提供快速、高容量的解決方案</li><li>Ansys Mechanical?能夠仿真大型3D集成電路中的應(yīng)力，且具有預(yù)測準確性，可以助力客戶獲得穩(wěn)健可靠的產(chǎn)品</li></ul><p> </p><p>Ansys與臺積電（TSMC）和微軟（Microsoft）展開合作，驗證了一項聯(lián)合解決方案，該方案用于分析采用臺積電3DFabric?先進封裝技術(shù)的多芯片3D-IC系統(tǒng)中的機械應(yīng)力。該聯(lián)合解決方案使客戶能更有信心地滿足新的多物理場要求，從而提高采用臺積電3DFabric的先進設(shè)計的功能可靠性。3DFabric是臺積電綜合全面的3D芯片堆疊與先進封裝技術(shù)產(chǎn)品系列。</p><p><br></p><p>Ansys Mechanical是行業(yè)領(lǐng)先的有限元分析軟件，用于仿真3D-IC中熱梯度引起的機械應(yīng)力。該解決方案流程已被證明可在Microsoft Azure上高效運行，有助于確保在當今高度大型和復(fù)雜的2.5D/3D-IC系統(tǒng)中實現(xiàn)快速的周轉(zhuǎn)時間。</p><p><br></p><p>3D-IC系統(tǒng)通常具有較大的溫度梯度，由于熱膨脹差，會導致組件之間產(chǎn)生強烈的機械應(yīng)力。這些應(yīng)力會導致各種元件之間的連接發(fā)生斷裂或錯位，并降低3D-IC裝配體的可靠壽命。而隨著半導體系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜性的增加，會更難以有效地對其進行分析。
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