搜索ANSYS Workbench中应力线性化方法-大开孔压力容器管箱接管应力的准确计算-连载7
2017-06-03 by:CAE仿真在线 来源:互联网
创建应力分类线的2种方法
方法一:
压力容器应力结果评定时,往往将材料厚度方向的应力拆分为沿着厚度一致的薄膜应力、线性变化的弯曲应力和非线性增量的峰值应力,根据所关注内容进行分别评定。对于采用壳单元的有限元模型,可以直接提取前两者,对于本文采用实体单元的计算,应采用线性化应力的方法提取。其关键操作是创建合适位置的提取线,即Path。本技巧采用两种方法创建提取线,首先介绍第一种,利用临时基准点的方式,帮助定位提取线的起点和终点。
该技巧的第一种方法与笔者第一部著作《ANSYS Workbench 结构工程高级应用》中国水利水电出版社出版中,压力容器案例所采用的方法基本一致;第二种方法与笔者的第二部著作《ANSYS Workbench 工程应用实例详解》,中国铁道出版社中,常用操作技巧章节所采用的方法基本一致。
设置Path时,一般采用设置起点和终点坐标的形式进行定位。需要提取的位置往往与几何模型已有的边,线等不一定重合,故如何快速的找到合适的坐标值,较为复杂。根据ASME规范第八册第二卷,不同的模型有着不同的提取位置,本文方便起见,仅以最大应力点为Path的起点,并将终点设置为横贯材料厚度的对面表面节点上。
由于事先不能知道最大应力点的精确坐标,可以采用打擦边球的方式,利用Workbench环境中,放大模型后模型旋转的视觉中心点标志作为临时基准点,并在其附近创建局部坐标系,再逐渐移动局部坐标系位置至该临时基准点处,并创建Path,将其起点基准点从默认的整体坐标系更改为局部坐标系再稍稍修正坐标位置的方法,创建十分接近最大应力点处的Path。
为了方便查看视觉中心点是否已十分接近最大应力点,可在应力后处理中将显示模式设置为显示单元的方式。并单击Max图标,以显示最大应力点的位置,如图-92所示。
图-92 显示单元
图-93为同时显示应力结果云图和网格线以及最大应力点的结果。其左上角Result中为150,即当前结果是将模型变形放大150倍后显示的,其不利于视觉中心点的定位,应将其修改为0。
图-93 最大应力结果
将Result更改为0,并快速双击最大应力点Max图标处,即可生成一个红色圆球状图标,其为旋转模型时的中心点,即需要的临时位置信标。如图-94所示。
图-94 创建中心点
该中心点无法量化的进行定位,可创建局部坐标系,以方便采用坐标精确定位。单击Outlie中坐标系系统,向上单击局部坐标系按钮创建一个局部坐标系,并将选择模式更改为选点的方式,回到模型单击与红色标记最近的几何模型上已有的点。如图-95所示。
图-95 创建局部坐标系
图-96为新建的局部坐标系。其横向为绿色的Y向,与红色标记点基本在同一平面处。可通过移动Y方向的方式,将该局部坐标系的基准点从已有几何模型的点上,水平移动到标记点附近。单击局部坐标系,向上单击Offset Y。如图-96所示。
图-96 移动坐标系
局部坐标系Y轴的左向为正方向,在详细信息中多次试探性的输入负数,如-10mm可尽量贴近标记点。如图-97所示。转换视角后发现Y方向稍有偏差,如图-98所示。
图-97 移动坐标系Y方向
图-98 稍有偏差
继续设置Offset,至-12.5mm即可在Y方向与标记点几乎重合。如图-99所示。转换视角后发现,其原点与临时标记仍有偏差,单击整体坐标系Y的反方向按钮,转换视角,继续移动坐标系。如图-100所示。
图-99 移动坐标系Y方向
图-100 转换视角
转换后可以发现应将局部坐标系的X方向正方向移动和Z方向负方向,用上述方法即可逐渐移动到几乎重合。如图-101、102、103、104所示。
图-101 移动X方向
图-102 移动完成
图-103 移动Z方向
图-104 移动完成
转换视角后,局部坐标系已经十分贴近临时坐标点。如图-105所示。由于需要多次移动,此操作也许需要消耗大量的精力和耐心。下面插入Path。右键单击Outline中创建构造几何。如图-106所示。
图-105 移动完成
图-106 创建构造几何
右键单击新建的构造几何中即可插入Path。如图-107所示。单击新建的Path,在详细信息中将起点的基准坐标从默认的整体坐标系调整为刚刚新建并移动的局部坐标系。如图-108所示。
图-107 创建提取线
图-108 更改坐标系
将起点坐标系修改后,模型上可以生成白色半透明的Path,其方向用紫色半透明箭头表示。继续修改终点的坐标系至新建坐标系。如图-109、110所示。
图-109 更改坐标系
图-110 生成的提取线
起点和终点都调整为局部坐标系时,其详细信息坐标值均为黄色,即缺乏数据。此时Path的起点和终点重合,应修改坐标方向,以利于生成正确的Path。如图-111所示。回到Outline中单击局部坐标系,查看其横向为X方向,回到Path的详细信息中,修改起点X方向坐标值,生成新的Path。如图-112所示。由于提前不知道起点和终点坐标的具体值,也许需要多次试探才能在合理位置穿过最大应力点生成Path,而且其长度应十分接近当地的模型壁厚。使得该操作需要十分的耐心与细心。
图-111 重合的起点与终点
图-112 输入起点坐标
此时Path已经十分接近所需位置,为了提高结果提取的精度应将其首位移动到最近的有限元模型节点上。即右键Snap操作。如图-113所示。移动后的坐标如图-114所示。如果网格划分较粗,也许移动后的起点或终点与预期位置偏差较大,建议尽量细化网格。
图-113 移动到邻近节点
图-114 移动后的坐标
右键创建一个线性化结果。如图-115所示。
图-115 设置线性化结果
将新建的线性化应力结果详细信息中,提取方式Path选择为刚刚设置的那一个,回到Outline右键单击线性化结果并刷新。如图-116所示。
图-116 刷新线性化结果
刷新后线性化结果以云图方式显示,其最大值与等效应力结果的最大值一致,而模型则半透明显示。如图-117所示。在Outline中,其结果会将薄膜应力等结果统计列表。如图-118所示。
图-117 云图结果
图-118 列表结果
如需查看完整的结果,可以将下方Graph向上拖拽,即可查看具体数值和折线图。如图-119所示。
图-119 图表显示结果
至此,应力线性化结果第一种提取方式介绍完毕。该方法适合于事先不知道具体坐标时的情况,操作非常复杂,需要多次调整位置坐标,可能会耗费相当多的时间创建。
方法二:
下面介绍第二种提取方式,该方法利用Workbench 14.5版本的新功能,直接选中节点的功能,并搭配选择信息功能,提取以选节点坐标,并在Path中直接输入该坐标的方法定位。在17.0以上版本,在选择过滤器中新增了两个按钮,即选中节点和选中单元,其相对之前的版本需要将选中几何模型修改为选中有限元模型再可以选中节点的操作更加便捷。
与上文类似,计算完成后查看最大应力值,并显示网格和显示MAX图标,以方便查看。单击选择过滤器中选中节点按钮,回到有限元模型选中最大应力点的节点,再向上单击蓝色选择信息按钮。选中的节点将变成绿色举行线框状。如图-120所示。
在应力结果详细信息中可以看出,最大应力点出现在6寸法兰处,在单击选择信息按钮后,左下角详细信息中有已选节点的坐标、节点编号、所处零件等信息。注意其默认的是以全局坐标系为基准的坐标值,可以通过新建局部坐标并以其为基准提取。图-121所示。可采用截图的方法将坐标值临时保存,或者手工记录下节点坐标。
图-120 选中节点
图-121 节点坐标
在设置Path时即可以此坐标值为起点和终点坐标。这样可以避免第一种方法中未知坐标而采用中间临时基准点而盲目移动的问题。下面创建Path,方法同上。如图-122所示。在Path的详细信息中,输入起点的坐标,其与之前选中节点的坐标相同。如图-123所示。
图-122 创建Path
图-123 输入起点坐标
在输入任意坐标值时,模型上将自动生成基于已经输入坐标起点和默认全局坐标系零点终点的Path。由于Path需要横贯模型截面,输入终点坐标时可以复制起点的2个方向坐标,将第三个方向的坐标略有改变,以将Path的位置大致定位。如图-125所示。
图-124临时的Path
图-125大致的坐标
在Path处右键并将其移动到邻近节点。如图-126所示。移动后的坐标和位置如图-127所示。其与图-125的位置差异,主要取决于网格划分的尺寸。
图-126 移动到邻近节点
图-127 移动后的位置
拥有正确位置的Path以后,即可如方法一所示流程,创建基于该Path的线性化结果。分别如图-128、129、130所示。
图-128 创建线性化结果
图-129 设置Path并刷新
图-130 线性化结果
图-119中第一种方法最大应力结果为92.006Mpa,在图-130中第二种方法是92.061Mpa,而整体模型应力结果中,图-93为92.076Mpa。此三组结果几乎一致,说明两种提取方法的计算精度较好。
本文均采用等效应力的最大应力点为Path的起点位置,其与压力容器规范评定需求略有不同。本文仅从操作方法和思路上介绍了两种在特定位置创建应力提取线的方法。在ASME规范第八卷第二分册第五篇,按分析设计要求中对于评定线位置的要求如下。如图-131所示。实际进行评定时,应以规范要求为准。
12. 将线性化结果导出Excel
结果提取完毕后,可将沿着路径方向的各项应力结果复制出来,并输入第三方数据处理软件绘图。将在图-130中Tabular Data的数据复制出来。右键该表格纵向数字1上方灰色方块,单击下拉菜单中的Copy将其复制出来。如图-131所示。
图-131 应力分类线的位置
图-132 复制结果
打开Excel并粘贴此数据,并生成一个面积图。如图-133所示。
图-133 生成面积图
图-134 为创建出的沿着壁厚变化的各项应力结果面积图。
图-134 线性化结果面积图
至此,本文所介绍的各项技巧完成。
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