搜索基于proe和ANSYS的声系外壳的有限元分析
2013-06-13 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
声波测井是石油仪器中最重要的部分,但是由于声系外壳是声波测井仪器最薄弱的零件,所以导致整个仪器的抗拉和抗压性能下降。在井况比较恶劣的条件下,如果遇阻,声系外壳很容易就被拉断,因此设计外壳时,需要考虑声系外壳最薄弱地方的应力。由于其几何形状不规则,应用经典材料力学公式很难计算出其危险截面应力,所以有限元分析法就成为了解决工程问题的重要方式。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁及声学于一体的大型通用有限元分析软件,可广泛应用于机械、电机、土木、电子及航空等不同领域。它是众多有限元分析软件中较出色的一个,以其高效的求解算法和效率闻名,并有相对独立的前、后处理体系,可独立完成多学科、多领域的分析任务。但是,在处理分析过程中,ANSYS优点明显,其缺点也同样突出,建模能力弱。proe中是一个高效的三维机械设计工具,可以迅速建立任何复杂曲面,本文将借助proe模块进行建模,然后导入ANSYS中进行分析,提高建模和分析效率。通过分析找到了声系外壳的薄弱环节,并通过改变槽宽,比较了在不同情况下的应力,为声系外壳的改进设计提供依据。
1 曲轴三维实体参数化模型建立和计算
1.1几何模型
声系外壳长度为2165mm,零件长度过大,在ANSYS里划分单元数量大,给计算带来很大难度。本文取其截面最小部分进行建模分析,模型尺寸参数如下:外径为89mm,内径为70.6mm,槽宽为6mm,在轴向上槽间距为22mm,在圆周方向上槽间距120°,如图1所示。
零件材料采用0Cr17Ni4Cu,材料性能参数为:
许用应力[σ]t=800 MPa;
屈服应力[σ]s=1000 MPa;
弹性模量E=200 Gpa;
泊松比μ=0.27。
由于结构较为复杂,所以首先在proe里建模,然后通过数据转换到ANSYS里面。模型是对称的,利用其对称性取其一半进行分析,可以在保证计算精度的条件下提高计算效率,模型如图2所示。
1.2 边界条件及载荷
选取solid45单元,用于构造三维固体结构。单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。单元具有超弹性、应力钢化、蠕变、大变形和大应变能力。定义材料属性,弹性模量E=200 GPa,泊松比μ=0.27。
进入前处理器,将模型用命令VSBW切割成多个体,如图3所示。分割模型不但可以减少单元数量,还可以提高计算精度和速度。选择自由网格划分工具,然后采用自由网格技术进行划分,自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术之一,它在面上可以自动生成三角形或四边形网格,在体上自动生成四面体网格。通常情况下,可利用ANSYS的智能尺寸控制技术来自动控制网格的大小和疏密分布,也可进行人工设置网格的大小并控制疏密分布以及选择分网算法等。如图4所示,共划分128453个单元,25167个节点,据分析,槽周围是应力集中部位,网格划分较密,两端受力较小,划分稀疏。
根据对称结构的特点,在模型左端施加轴向约束,位移为0,在对称截面上施加对称约束,在模型右端面施加拉力20 t,转换为等效拉应力为42166Pa,如图5所示。
1.3 分析结果
如图6所示,从有限元应力分析结果中可以看出,在槽的过渡圆角处存在应力集中现象,但是由于材料是在静载条件下,而且使用的是塑性材料,从图6中可以看出,应力集中的影响很小,因此可以忽略应力集中的影响。材料危险截面处的最大拉应力为400 MPa。从图6的应力云图中可以看出,最危险的位置是两槽之间与水平方向成45°的截面最易被拉断,这和实际测井中外壳被拉断的情况相符合,图7为模型受力变形图。
按传统计算方法,通常取圆周方向最小截面处作为危险截面,按材料力学公式计算最大应力为:
S=6.723 ×10-4m2
F=2 ×10 4N;
p=F /S=297 MPa
可见在此情况下,当外力大于声系外壳所能承受的屈服极限时,按传统取最小截面方法仍能满足要求,而实际上可能已经超出材料所能承受最大应力,所以不能准确计算仪器所能承受的最大拉力。而用有限元方法能有效的计算出仪器能承受最大拉力和危险截面。
改变槽宽为4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm,在施加20 t拉力时分别求出声系外壳薄弱处的最大应力。表1为在不同槽宽的情况下,声系外壳的薄弱处所受的最大应力。
从表1中可以看出,当槽宽为6 mm时候,声系外壳薄弱处的应力最小,宽为4 mm的时候薄弱处应力最大,并且过渡圆角处出现较为严重的局部塑性变形,所以不宜采用。从表1中也可以看出随着槽宽变大,位移也逐渐变大,但是薄弱处的应力并不随着槽宽变大而变大,这是因为薄弱处不在圆周方向上,而在槽与槽之间的斜面上。
2 结论
首先在proe3.0平台上利用proe3.0参数化特性建立参数化的声系外壳三维实体模型,然后通过数据转换导入ANSYS,对模型进行了应力分析,找到了声系外壳最易断裂的位置,并通过改变槽的宽度,比较了不同尺寸下模型薄弱处的最大应力,为进一步改进设计、优化加工提供了可靠的数据支持。
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