基于ansys的閥門(mén)實(shí)體建模與有限元分析

基于ansys的閥門(mén)實(shí)體建模與有限元分析

油田專(zhuān)用黑棒平板閥種類(lèi)少，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)周長(zhǎng)。尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天,卻依然采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行閥門(mén)的設(shè)計(jì)和樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證,強(qiáng)度校核計(jì)算也只是把閥體結(jié)構(gòu)由一個(gè)復(fù)雜的四通結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)直通的厚壁筒體,對(duì)結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜特點(diǎn)未能充分考慮,造成模型與實(shí)際受力偏差較大,給設(shè)計(jì)計(jì)算帶來(lái)較大的誤差。所以,有必要將CAD、CAE技術(shù)引入油田閥門(mén)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與制造,用CAD軟件完成所有零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)所設(shè)計(jì)的閥門(mén)進(jìn)行實(shí)體仿真裝配,從而進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查;再用CAE軟件對(duì)零件進(jìn)行各種復(fù)雜的有限元分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),最終完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。從而大大減少人力、物力和財(cái)力,大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期,大大降低強(qiáng)度校核的偏差。本文以三維建模軟件Pro/E和ANSYS有限元分析軟件相結(jié)合,進(jìn)行閥門(mén)的三維設(shè)計(jì)和有限元分析。Pro/E擁有強(qiáng)大的實(shí)體和曲面造型功能,而ANSYS具有完善的有限元分析功能,盡管ANSYS有一定的三維建模功能,但對(duì)于復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng),還不及Pro/E軟件。鑒于此,考慮借助于三維建模功能很強(qiáng)的Pro/E軟件來(lái)建立閥門(mén)的三維實(shí)體模型,然后將模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元分析,從而實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)完成零件設(shè)計(jì)和分析。1實(shí)體模型的構(gòu)建1.1創(chuàng)建環(huán)境單位制建模過(guò)程中應(yīng)特別注意單位的設(shè)置,因?yàn)锳NSYS中沒(méi)有單位制,在ANSYS中輸入基本單位(如長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間)時(shí),要求單位必須一致。但有時(shí)也需要直接輸入一些導(dǎo)出量(如力、壓力等),這時(shí)就要確保這些導(dǎo)出量與基本物理量屬于同一個(gè)單位制,否則需要量綱換算。所以在Pro/E中建立每一種零部件的單位都應(yīng)設(shè)定為國(guó)際單位制“MKS”(MeterKilogramSecond),同樣在創(chuàng)建裝配圖時(shí)也要注意這個(gè)問(wèn)題。a)修改并生成環(huán)境配置文件,這樣每次啟動(dòng)Pro/E時(shí),可自動(dòng)載入關(guān)于單位的環(huán)境設(shè)置。b)完成各個(gè)零件的建模后,就需要把各個(gè)零件組裝成裝配圖,建立裝配圖時(shí)需考慮各個(gè)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的初始位置,并在開(kāi)始裝配時(shí)就設(shè)置成構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的初始位置,避免以后再進(jìn)行調(diào)整。1.2側(cè)壓板方案閥門(mén)軸側(cè)裝配圖是應(yīng)用Pro/E的實(shí)體造型模塊生成的,采用掃略和體素構(gòu)型,并在裝配模塊中組裝得到的。建好的實(shí)體模型如圖1。1.3蘭草圖的位置平板閥閥體的建模有3個(gè)過(guò)程。a)繪制曲面草圖。b)設(shè)定該草圖與中法蘭及端面法蘭草圖的位置關(guān)系。c)拉伸曲面。在閥體造型過(guò)程中圓弧曲面的圓弧半徑及位置在常規(guī)設(shè)計(jì)中很難計(jì)算,而用Pro/E軟件則可以根據(jù)其與端法蘭和中法蘭的相關(guān)性,一旦確定中法蘭及端法蘭的位置尺寸,則自動(dòng)生成曲面,進(jìn)而生成造型勻稱(chēng)合理的閥體。實(shí)體模型如圖2。2元音分析對(duì)選定字段的分析2.1o/e軟件的無(wú)縫接口由于閥體結(jié)構(gòu)為前后左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),依據(jù)模型簡(jiǎn)化理論,將閥體分割成1/2。通過(guò)ANSYS與Pro/E軟件的無(wú)縫接口,將閥體模型導(dǎo)入ANSYS中,整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程在不脫離Pro/E和ANSYS這2個(gè)軟件的情況下進(jìn)行,從而實(shí)現(xiàn)了二者之間的無(wú)縫連接,真正做到了CAD、CAE的一體化。比較導(dǎo)入前、后的模型可見(jiàn),模型沒(méi)有發(fā)生扭曲、丟面、多面等現(xiàn)象,確保了信息的完整(如圖3)。2.2單元類(lèi)型的確定網(wǎng)格劃分是建模中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié),網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算進(jìn)度,甚至?xí)驗(yàn)榫W(wǎng)格劃分不合理而導(dǎo)致計(jì)算不收斂。根據(jù)該閥體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、載荷類(lèi)型以及分析的需要,選擇單元類(lèi)型為SOLID187,網(wǎng)格劃分尺寸應(yīng)不大于閥體的最小壁厚值。最后采用自由網(wǎng)格劃分的方法進(jìn)行網(wǎng)格的劃分,結(jié)果如圖4。2.3強(qiáng)度及比b的測(cè)定由于閥體材料為ZG35Mo,屈服點(diǎn)σs=414MPa;抗拉強(qiáng)度σb=586MPa;楊氏模量E=205GPa;泊松比μ=0.29;工作壓力35MPa。在ANSYS的材料屬性對(duì)話(huà)框中,設(shè)置材料的楊氏模量和泊松比分別為2.05×1011和0.29。2.4施加面力載荷a)添加約束在模型的對(duì)稱(chēng)截面上施加對(duì)稱(chēng)約束,同時(shí)在3個(gè)法蘭端面上施加全約束。b)施加面力載荷載荷特征為均勻內(nèi)壓,根據(jù)閥體的試驗(yàn)壓力,在閥體的內(nèi)表面施加載荷35MPa。施加約束和載荷后的結(jié)果如圖5。2.5但是，解決選擇PCG迭代求解器,由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成求解運(yùn)算。2.6元分析的后續(xù)和結(jié)論后處理的主要目的是檢查分析結(jié)果,由于本例屬于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析,所以選用通用后處理器來(lái)進(jìn)行分析結(jié)果的檢查。結(jié)果如圖6~7。3危險(xiǎn)部位選擇從節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖可知,在閥體出口管的內(nèi)側(cè)彎道處(三通交叉處)出現(xiàn)最大應(yīng)力,表明平板閥的危險(xiǎn)部位在內(nèi)表面相貫線(xiàn)拐角處。相貫部位倒圓角及減小支管直徑,能有效地降低相貫部位的應(yīng)力集中,從而提高平板閥的使用壽命。還可以看出,平板閥的應(yīng)力關(guān)于側(cè)孔水平軸近似對(duì)稱(chēng),因此在建立計(jì)算模型時(shí)完全可以取閥體的1/4作為計(jì)算對(duì)象,而其精度仍能達(dá)到工程要求。4平板閥有限元分析通過(guò)實(shí)例闡述了利用三維建模軟件Pro/