装配体热应力仿真分析建模的技巧与窍门

准确预测由不同材料构成组件中的热应力是一个具有挑战性的分析问题。热致应力由温度梯度、支撑以及当连接材料具有不同热膨胀系数（CTE）时产生。对于CTE不匹配的情况，即使温度均匀，也会导致热应变的差异，从而引发机械应变和应力。针对这些连接的建模假设会对局部应力产生重大影响。在对这类组件进行建模之前，仿真工程师必须回答的第一个问题是：是什么使部件保持在一起？是通过胶粘剂、焊接等形成的实际粘结，还是螺栓或弹簧提供的机械支撑？连接是否可以被假定为粘结，或者这是一个组件的装配，其中各个部件可以自由滑动或分离？

从有限元分析（FEA）的角度来看，建模设置可以是贯穿式网格、粘结、无分离或摩擦接触。这些不同的建模过程中的每一种在应力报告的准确性和数值收敛性方面都会带来数值方面的挑战。胶粘剂或焊接材料的建模可能会被包含在模拟中，当这些连接件被忽略时，简化的假设可能会产生数值诱导的应力奇异。

为了更好地理解这些假设，本文提供了一系列对比连接模拟的结果，以帮助量化它们对界面材料应力的相对影响。图1展示了一个由多种具有不同热膨胀系数的材料组成的螺栓法兰连接的1/2对称截面。该几何形状包括一层薄薄的软材料和一层热膨胀系数是与之配合的铝制盖板的2.5倍的热不匹配材料。对于需要机械抵抗分离的特定情况，加载条件包括260摄氏度的均匀温度和500磅的螺栓预紧力。

图1不同热膨胀系数的法兰连接装配体

贯穿式网格被用于定义与软层的顶部和底部界面。这种软界面层的热不匹配会引起机械应变，但由于该材料的低刚度，不会产生显著的应力。螺栓头和螺母与两个铝制部件粘结在一起，这也会引起局部应力集中，但在本研究中被忽略。这些模拟中的研究区域是热不匹配材料与下部铝制盖板之间的界面，如图1所示。

表1总结了九种不同的模拟，比较了作为该界面建模函数的名义应力和峰值应力。粘结和 MPC（案例 1 和 2）不允许任何相对的法向或滑动界面位移。这将是一种在不建模螺栓的情况下连接组件的快速方法，但可能会在界面处产生不切实际的应力结果。无分离（案例 3 至 5）允许相对滑动但不允许法向分离。摩擦（案例 6 至 8）在拉力克服螺栓预紧力加载时允许法向分离，并且滑动阻力由摩擦系数控制。最后，粗糙界面（案例 9）假设摩擦系数为无穷大，但允许法向分离，类似于摩擦情况。

表1 连接建模对组件热应力分析的影响演示

为不匹配材料列出了三种不同的应力结果：包括粘结方法产生的奇异应力的峰值应力；在适用时排除粘结边缘处局部峰值奇异应力的名义应力；以及峰值膜应力（横截面的平均应力）。下面的图 2 和图 3 展示了变形形状和应力等值线结果的示例。在所有模型中都可以看到类似的模式。

图 2 总位移轮廓图（摩擦接触）

图 3 冯・米塞斯应力等值线图（摩擦接触，系数为0.2）

物理测试是确定连接支撑类型的理想方法，在这种情况下，可以调整界面有限元分析（FEA）模型以匹配位移测量值。对于很少或没有横向粘结的情况，无分离假设可以产生与低摩擦接触情况类似的应力状态，而无需增加非线性模拟的成本。对于刚度相似且不允许相对横向运动的粘结材料，像本文所展示的局部模拟以及工程判断通常是必要的，以便根据个人结果要求、材料、连接和计算资源来开发最佳建模方法，从而确定从模拟中提取什么应力值并应用于设计准则。