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有限单元法--贺伟--带预紧力的螺栓法兰管道ansys建模分析


带预紧力的螺栓法兰管道 ansys 建模分析
学生:贺伟(2014282100085) 一、问题表述 螺栓法兰结构具有构造简单、可操作性好等特点,因此在工业结构中应用广泛。典型应 用如航天对接结构、 石油化工设备中密闭管道的连接、 风力发电机主轴结构以及核反应堆冷 却泵转子组件的轴向连接。 螺栓法兰连接虽然可以为结构提供一定的连接刚度与强度, 但是, 由于几何上的突变和

结构对连续性的破坏, 连接部位在外力的作用下会产生局部变形过大、 应力与变形分布不均 匀等现象。因此,要求采用整体模型分析螺栓管道的受力、变形、开裂等情况。已知几何外 形和尺寸如下图所示,用 ansys 进行分析。

图1典型法兰连接结构 二、参数说明 材料性能:结构由两段相对连接面完全对称的柱壳结构组成,柱壳材料为 Q235 结构钢 (弹性模量 E=200Gpa,泊松比 u=0.28,密度 ? ? 7800 ;两段柱壳之间由外翻的 L kg.m?3 ) 形法兰和 4 颗 M10 螺栓进行连接,螺栓材料为 S45 合金钢(弹性模量 E=210Gpa,泊松比 u=0.27,密度 ? ? 7850 。 kg.m?3 ) 螺栓之间使用预紧力为 10KN,将法兰管道对接好,中间无垫片,法兰管道的两端使用 固定的方式固定在夹具上,然后进行分析螺栓管道的受力、变形、开裂等情况。 三、有限元模型建模 (1)进入 ANSYS,进入设置工程名为 falan。 ( 2 )定义分析类型为结构分析。 Main Menu>Preferences ,在弹出的对话框中选择 structural,单击 OK 按钮。 (3)定义单元类型。

路径:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete。执行路径,在弹出的 Element Type 对话框中单击 Add 按钮,在新的 Library of Element Types 对话框中选择 SOLID185 单元为 1 号单元,用于整个模型,方便建模分析,不区分法兰管道和螺栓的材料区 别,直接进行分析。

图 2 定义单元种类 (4)定义材料属性。 路径 1:Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models 路径 2:Material Models Available>Structural>Linear>Elastic>Isotropic

图 3 弹性模量和泊松比

路径 3:Material Models Available>Structural>Density

图 4 密度 执行该路径后,在 Define Material Modal Behavior 对话框的菜单栏中选择 Material,并 单击 New Model,增加一个材料模型。对于将螺栓材料的性质也可以加入到里面进行建模。 (5)建立几何模型。 路径:Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes>Cyinder>By Dimension。

图 5 集合建模操作

图 6 建立圆管道

图 7 管道建立的 ansys 模型 同样的操作,进行法兰盘面、螺栓圆柱体、螺帽和螺母圆环的建模。我们将法兰管 道的整个几何模型进行建立,建立的图形如下所示。

图 8 带螺栓的法兰管道模型 (5)在几何模型上进行布尔运算

图 9 布尔运算操作

该操作即将管道和两个法兰盘面进行 Glue,形成一个标准件;一个螺栓杆 Glue 两个螺 栓帽组成螺栓标准件。同理,本次建模包含两个标准的法兰管道标准件;通过四个螺栓标准 件进行连接在一起。这就是本次建模分析的对象。 (6)改变显示模型。 路径 1:Utility Menu>PlotCtrls>Pan-Zoom-Rotate。 执行该路径后,单击 ISO 按钮,以正等侧显示几何模型。 (7)进行网格划分 先进行对接的法兰盘网格划分,按照如下的方式进行操作,选择 Meshing>MeshTool 进 行智能划分,选择 Lines 选项 Set 进行线条的划分设置,设置份数:法兰盘圆周上 30 份,厚 度方向 10mm 厚盘面划分 4 段,5mm 厚划分 2 段,管道长度方向划分 40 段,螺栓上面进行 对等划分:螺帽外环上划分 3 段,螺杆和法兰盘接触的环面上划分 4 段,采用 sweep 方式进 行划分,划分的形式如下图所示。

图 10 网格划分控制方式

划分的网格顺序为对接的法兰盘,管道,另一边法兰盘,最后是四个螺栓。互粉出来的 结果如下图所示。

图 11 模型整体网格划分

图 12 法兰盘对接细部网格划分

(8)考虑接触 由于两个法兰盘面之间是两个不同的标准件,通过螺栓进行预紧对接在一起进行受力, 所以在法兰盘面和螺栓接触的环面上需要进行非线性接触的考虑, 我们考虑的接触之间的摩 擦系数为 0.2。

图 13 接触的操作方式

图 14 进行目标面的选择

图 15 输入接触之间的摩擦系数 0.2 (9)加载求解

图 16 求解之前定义分析类型

图 17 在两个法兰盘面进行位移约束为 0 的输入

图 18 在螺栓和对接的环面上输入模拟的预紧力 (10)进入到 Solve>Current LS 进行求解

图 19 整体加载的方式 四、成果整理 采用整体模型分析螺栓管道的受力、变形、开裂等情况。我们主要是得到了模型求解的 应力图,和剖开看某一个截面的应力图,同样的,可以使用 ansys 得到其位移图。

图 20 静力分析的应力结果

图 21 对接的细部应力图

图 22 法兰管道在静力分析下纵剖面的应力云图


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