workbench过盈装配问题两种可行方案

本文仅为本人对过盈装配问题的一点点心得体会，冒昧分享给大家。这也是本人第一次接触过盈装配问题，水平有限，还请大家批评指正。

问题描述：

基于workbench下颌骨种植体过盈装配有限元分析。为简化计算，假设一下颌骨立方骨块，骨块尺寸：20 mm×20mm×15mm，骨内部为骨松质，外层为骨皮质，厚度为2mm。种植体简化为圆柱体，直径4.0mm，长度为16mm（嵌入骨中10mm）。种植体装配时过盈量为0.2mm。

关键设置：

过盈装配时，期望有过度的初始侵入。初始侵入包括：

几何侵入：几何模型造成的偏移。此项包括建模时设置的侵入，及网格划分所产生的模型偏移。

CNOF（Contact offset）：接触面向目标面的偏移。CNOF是通过设置接触单元的实常数来设置。

解决方案：

（一）、建模时考虑过盈量

1、几何模型的建立

利用solidworks2011绘出种植体、下颌骨骨块三维立体几何模型。再将模型分别导入ANSYS workbench中进行装配及布尔运算。此方案建模时即考虑过盈量0.2mm，建立种植窝直径为3.6mm。几何模型如下：

图1 几何模型

2、材料属性

模型材料力学参数见下表1：

3、网格划分

整个模型采用四面体单元划分，网格单元尺寸为1.5mm，接触区域单元尺寸为0.5mm。网格划分后的有限元模型如图2：

图2 有限元模型

4、接触设置（关键）

本方案的初始侵入只有几何侵入，没设置接触面偏移CONF。种植体与种植窝的接触设置如图3、4：

图3 种植体柱身接触设置

说明：图3中插入的Commands（APDL）为：KEYOPT,cid,9,2 !施加渐变的初始侵入（考虑几何模型造成的偏移）

图4 种植体柱底接触设置

这里，你可以鼠标右击“connections”→“insert”→“contact tool”查看初始渗透值。如下图5、6。由图6可以看到最大的初始渗透为0.20178mm。

图5 插入接触工具

图6 初始渗透值（Penetration）

5、边界条件及加载

对骨块底面、种植体顶面进行固定约束（见图7）。加载即为设置渐变初始侵入（add offset，Ramped effect，offset=0mm）。

图7 边界条件

6、计算结果

①、Equivalent Stress（等效应力）

图8 Equivalent Stress（MPa）

②、Total Deformation（总位移）

图9 Total Deformation（mm）

（二）、建模时不考虑过盈量

1、几何模型的建立

利用solidworks2011绘出种植体、下颌骨骨块三维立体几何模型。再将模型分别导入ANSYS workbench中进行装配及布尔运算。此方案建模时不考虑过盈量，建立种植窝直径为4mm。几何模型如下：

图10 几何模型

2、材料属性

模型材料力学参数见表1。

3、网格划分

整个模型采用四面体单元划分，网格单元尺寸为1.5mm，接触区域单元尺寸为0.5mm。网格划分后的有限元模型如图11：

图11 有限元模型

4、接触设置（关键）

本方案的初始侵入忽略几何侵入，设置接触面偏移CONF=0.2（需插入Commands，控制接触单元的实常数）。种植体与种植窝的接触设置如图12、13：

图12 种植体柱身接触设置

说明：图12中插入的Commands（APDL）为：

R,cid,,,0.1,0.2,0.1, !接触刚度因子为0.1、容许最大渗透量为0.2,ICONT为0.1

RMORE,,,,0.2,, !CNOF为0.2mm（接触面向目标面偏移量）

KEYOPT,cid,9,4 !施加渐变的初始侵入（考虑几何模型造成的偏移）

KEYOPT,cid,10,2

图13 种植体柱底接触设置

参照方案（一）查看接触初始渗透情况，初始渗透刚好为0.2mm。

5、边界条件及加载

对骨块底面、种植体顶面进行固定约束（见图14）。加载即为设置渐变初始侵入0.2mm。

图14 边界条件

6、计算结果

①、Equivalent Stress（等效应力）

图15 Equivalent Stress（MPa）

②、Total Deformation（总位移）

图16 Total Deformation（mm）

综合上述两种方案，至于两种模型看上去不一样，是因为第一种模型在底部位置用工作平面多切了一次，这不影响两者对比。两种方案对模型初始侵入的控制是完全不一样的，第一种方案只考虑几何侵入，但受网格划分的影响，导致初始渗透量为0.20178mm，而第二种方案通过实常数ICONT、CNOF的控制，忽略了几何模型造成的偏移，初始侵入值即为CNOF的值0.2mm，这可能就是导致两种方案的等效应力有所差别的原因。

本人依然存在不小的疑问：为什么等效应力为什么这么大？0.2mm的过盈量竟达1500MPa左右？将此文发于此，热盼大家批评指正，不甚感激！！！

首发于：力学园