基于ansys workbench的管道疲劳强度分析及优化

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1、为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。基于ANSYSWorkbench的管道疲劳强度分析及优化　　摘要：疲劳破坏作为一种常见的失效形式，直接关系到机械结构的寿命，通过有限元软件ANSYSWorkbench能够准确计算出机械结构的疲劳寿命。通过SolidWorks建立三维实体模型，在ANSYSWorkbench中进行网格划分，对于液体冲击及螺栓预紧力作用分为两

2、种环境进行静力学计算。将两种环境叠加处理，再通过ANSYSWorkbench中的FatugueTool模块进行非比例载荷疲劳寿命分析。然后根据管道的疲劳寿命结果，优化螺栓预紧力大小，选取最优螺栓预紧力实现管道疲劳寿命的最大化，优化结构的疲劳强度。结果表明，经螺栓预紧力优化后，管道疲劳寿命提高了10%。　　关键词：疲劳寿命；疲劳强度；ANSYSWorkbench；非比例载荷　　DOIDOI：/　　中图分类号：TP319　　文献标识码：A文章编号：1672--0145-04　　0引言为了充分发挥“教

3、学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　管道从安装调试至投入使用期间，长期受到管道内部液体的循环作用力，会造成连接管道的螺栓发生疲劳破坏，造成管道漏液的危险情况[1]。管道在输送液体时，连

4、接管道的螺栓承受脉动循环载荷，主要受到了疲劳作用。通过实验的方法很难准确检测结构疲劳[2]，因此工程上常用有限元计算来预估结构疲劳。有限元计算耗时少、效率高、节约成本，并且可以准确找到结构在受到循环载荷作用时的最薄弱位置。　　具体做法是运用SolidWorks建立几何模型，将几何模型导入ANSYSWorkbench中，先进行静力结构分析，包括两个计算环境，环境一为液体对管道的作用，环境二为螺栓预紧力对管道的作用。再将环境一的脉动循环载荷叠加在环境二的静载荷上，对管道结构进行非比例载荷[3-4]疲

5、劳寿命分析，并根据得到的疲劳寿命结果，优化螺栓预紧力大小，以实现管道疲劳寿命的最大化。　　1有限元分析　　模型建立　　运用SolidWorks建立如图1所示的管道，将几何模型保存成X_T格式，再将模型导入ANSYSWorkbench进行静力学计算。管道内径为90mm，外径为104mm，通过8个M8螺栓将管道连接起来。8个M8螺栓均匀分布在直径为122mm圆周上，管道法兰面厚度为12mm。为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展

6、课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　管道和螺栓的材料参数如表1所示，管道和螺栓的材料设计疲劳曲线如图2所示。选择8节点的3D实体单元SOLID186对管道及螺栓进行网格划分[5]：①对规则部分进行扫掠控制，网格尺寸大小设置为默认；②对不规则部分进行六面体网格划分，网格尺寸大小为

7、：螺母部分设置为2mm，管道法兰部分设置为4mm。最终得到有限元模型总共具有节点82363个，单元30475个。划分网格后的有限元模型如图3所示。　　接触与边界条件　　定义螺栓接触：在螺母与管道法兰接�

8、的表面定义摩擦接触，将管道法兰表面定义成目标面，将螺母表面定义成接触面，摩擦系数设置为，8个螺栓总计接触16处。在管道下半部分的内管壁上施加固定约束。　　非比例载荷疲劳寿命分析　　管道受到螺栓预紧力和液体冲击力作用，其中螺栓预紧力大小恒定不变，而液体冲击力循环作用在管道上，使管道产生疲劳。由于液

9、体对管道只会产生膨胀力，并不会产生收缩力，因此施加的应该是脉动循环作用力。由于两种载荷的叠加作用，在进行有限元软件分析时需要采用非比例载荷疲劳寿命分析。该方法用两个加载环境取代单一的加载环境，进行疲劳寿命分析时不采用应力比，而是采用两个载荷环境的计算应力值来决定应力范围。计算时需要两个解，两组结果都会使用到，采用求解组合实现，基于两种环境的线性组合结果[6]进行疲劳计算。为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生