基于阀门设计的应力集中分析.pdf

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1、镕7自*&Ⅱ等if目『1&计∞A力橐中”析基于阀门设计的应力集中分析张应t唐克伦副lIgI}%nti,日⋯自mH,0∞*l《女at#目女q目}匕£日^目『1#

2、々t∞}*十,自*自**%E*f十#Ⅲ*“&自《A目#*.目"自*自**《n月f#*#t£m#女目%"一&自目%。*t目目n&^^十自*m《}#m自《&目#÷目分类{THl3s”女t#m日^i章■{1000抛∞(∞I】)07删I啦应力集中是指受力柯件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象”1。多出现于尖角、孔橱、缺口

3、、掏槽以及有刚性约束处及其邻域。应力集中是闫门设计分析中最常见的现象,怎样精确地获取阀门应力集中处的应力,不仅对阀门结构设计分析非常关键,而且对于评定阀门的疲劳使用寿命具有重大的意义。根据大量的研究发现结构的疲劳寿命对应力集中非常敏感,往往在常规静力学分析中能够认可的精度在疲劳预测中却造成非常太的误差,与实际结果相去甚远2。因此如何精确地获取结构应力集中成为阀门设计分析的关键因素。对于应力集中的平面问题一般可以找到精确的求解公式或者是经验修正公式”1,但足对于大量的工程实际问题,能够简化成平面问题的

4、相对很少,绝大部分问题都是复杂的空间问题,而空间同题通常很难找到解析解。因此在这种情况下要想研究应力集中问题(应力集中因子、应力集中位置),解析的方法就显得有些无能为力丁。有限单元法的兴起已经逐渐被太多数工程^员所采纳,极大的推动了应力集中研究的迅述笈展”。1应力集中分析方法简介为了准确模拟结构中的应力集中问题,一般采用局部细化网格法、子横型法以及自适应网格法3种”。11局部细化网格沽局部细化阿格法牍名思义就是对整个区域捌分完网格以后.再对应力梯度变化太的区域进行网格细化加密。具体可以针对某个点也可

5、以针对某个单元进行细化,“这些点(单元)为中心进行网格加密,如图l所示。I勉___囤1局部网格自化12于模型技术在有限元分析中往往出现这种情况,即对于用户关心的区域,如应力集中区域,网格太废不能得到满意的结果.而对于这些区域之外的部分.阿格密度已经足够了。子模型是得到模型部分区域中更加精确解的有限单元技术。子模型方法卫称为切割边界位移法或特定边界位移法。切割边界就是子模型从整个较粗糙的模型分割开的边界。整体模型切割边界的计算位移值即为子模型的边界条件。子模型基于圣维南原理,即如果实际分布载荷被等效载

6、荷代替以后,应力和应变只在载荷施加的位置附近有改变。这说明只有在载荷集中位置才有应力集中效应.如果子模型的位置远离应力集中位置,则子模型内就可以得到较精确的结果41。13自适应网格划分自适应同括方法通过误差估计.在某些变化《#日■:201Im{3‘iⅢ目:d8#Ⅻ目#*I&日⋯《≈&l^$Ri4日(㈣0。6l化I自动化&仪表第38卷较为剧烈的区域,如大变形,激波面、接触问断面和滑移面菩,自动确定网格密度是否足够。如果不够.程序将自动鳃化吼椿以减少误差。同格在选代过程币断调节,将网格细化,做到网格点分

7、布与物理解的耦合。然后通过一系列的求解过程使得误差低于用户指定的数值(或直到用户指定的最大求解次数),从而提高解精度的一种技术。2工程应用实例为了比较吼上3种方法对结构应力集中横扭的准确性,笔者以某型号的闸阀为倒,分析结构在外载荷作用下的应力集中情况。21闸阀阀体模型建立通过阅读闸阀阀体结构幽纸,利用三维实体建模戟件PR0/E建立阀体的!维模型,并建立PR0/E与^NsYs二者之间的无缝莲接.实现了有限元分析模型的建立,如图2所示。圉3阀体戴荷固很高。奉攻有限元分析利坩结构对称性.分析了l/2模型.

8、闸阉一端与接管刚性连接.闸阀内住15Ⅻk.阕体材料采用s^0”wc9.约束咀及载荷如图3所示。23闸阎阀体应力集中结果比较局部网格细化法同格尺寸为20,缃化等级kvcl=l;子模型法粗糙模型网格尺亦为20,予摸型两格尺寸为IO;自适应网格法最大自适应选代次数设置为1∞,最小单元尺寸为10,最大单元尺寸为50,结构误差控制设置为5%,3种方法得到的最大等效应力分别为:277、263、2砧MPa。通过比较可以看出:局部细化洼对应力集中模拟结果较好;子模型法和自适应网格法操作比较繁琐,需要对模型有较辣刻的

9、认识以及对APDL要求较高;于模型方法对三维问题难以确定其分割边界。3结束语在相同条件下局部细化珐能够很好地模拟阁体应力集中情况,当然该方法也可以用于模拟梯度变化大的其它场问题(如温度场、电磁场、流场等)。局部细化法理解窑易,操作客易,只需加密可能梯度变化较大的节点、单元即可.如果对加密后的结果不满意,还可以提高加密等级甚至还可以多次加密阿格,直至达到满意的精度要求。因此要模拟梯度变化较大的场问题,局部细化法不失为一种既方便又卓有成效的理想方法。参考文献lJ康t明.扬

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1、镕7自*&Ⅱ等if目『1&计∞A力橐中”析基于阀门设计的应力集中分析张应t唐克伦副lIgI}%nti,日⋯自mH,0∞*l《女at#目女q目}匕£日^目『1#

2、々t∞}*十,自*自**%E*f十#Ⅲ*“&自《A目#*.目"自*自**《n月f#*#t£m#女目%"一&自目%。*t目目n&^^十自*m《}#m自《&目#÷目分类{THl3s”女t#m日^i章■{1000抛∞(∞I】)07删I啦应力集中是指受力柯件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象”1。多出现于尖角、孔橱、缺口

3、、掏槽以及有刚性约束处及其邻域。应力集中是闫门设计分析中最常见的现象,怎样精确地获取阀门应力集中处的应力,不仅对阀门结构设计分析非常关键,而且对于评定阀门的疲劳使用寿命具有重大的意义。根据大量的研究发现结构的疲劳寿命对应力集中非常敏感,往往在常规静力学分析中能够认可的精度在疲劳预测中却造成非常太的误差,与实际结果相去甚远2。因此如何精确地获取结构应力集中成为阀门设计分析的关键因素。对于应力集中的平面问题一般可以找到精确的求解公式或者是经验修正公式”1,但足对于大量的工程实际问题,能够简化成平面问题的

4、相对很少,绝大部分问题都是复杂的空间问题,而空间同题通常很难找到解析解。因此在这种情况下要想研究应力集中问题(应力集中因子、应力集中位置),解析的方法就显得有些无能为力丁。有限单元法的兴起已经逐渐被太多数工程^员所采纳,极大的推动了应力集中研究的迅述笈展”。1应力集中分析方法简介为了准确模拟结构中的应力集中问题,一般采用局部细化网格法、子横型法以及自适应网格法3种”。11局部细化网格沽局部细化阿格法牍名思义就是对整个区域捌分完网格以后.再对应力梯度变化太的区域进行网格细化加密。具体可以针对某个点也可

5、以针对某个单元进行细化,“这些点(单元)为中心进行网格加密,如图l所示。I勉___囤1局部网格自化12于模型技术在有限元分析中往往出现这种情况,即对于用户关心的区域,如应力集中区域,网格太废不能得到满意的结果.而对于这些区域之外的部分.阿格密度已经足够了。子模型是得到模型部分区域中更加精确解的有限单元技术。子模型方法卫称为切割边界位移法或特定边界位移法。切割边界就是子模型从整个较粗糙的模型分割开的边界。整体模型切割边界的计算位移值即为子模型的边界条件。子模型基于圣维南原理,即如果实际分布载荷被等效载

6、荷代替以后,应力和应变只在载荷施加的位置附近有改变。这说明只有在载荷集中位置才有应力集中效应.如果子模型的位置远离应力集中位置,则子模型内就可以得到较精确的结果41。13自适应网格划分自适应同括方法通过误差估计.在某些变化《#日■:201Im{3‘iⅢ目:d8#Ⅻ目#*I&日⋯《≈&l^$Ri4日(㈣0。6l化I自动化&仪表第38卷较为剧烈的区域,如大变形,激波面、接触问断面和滑移面菩,自动确定网格密度是否足够。如果不够.程序将自动鳃化吼椿以减少误差。同格在选代过程币断调节,将网格细化,做到网格点分

7、布与物理解的耦合。然后通过一系列的求解过程使得误差低于用户指定的数值(或直到用户指定的最大求解次数),从而提高解精度的一种技术。2工程应用实例为了比较吼上3种方法对结构应力集中横扭的准确性,笔者以某型号的闸阀为倒,分析结构在外载荷作用下的应力集中情况。21闸阀阀体模型建立通过阅读闸阀阀体结构幽纸,利用三维实体建模戟件PR0/E建立阀体的!维模型,并建立PR0/E与^NsYs二者之间的无缝莲接.实现了有限元分析模型的建立,如图2所示。圉3阀体戴荷固很高。奉攻有限元分析利坩结构对称性.分析了l/2模型.

8、闸阉一端与接管刚性连接.闸阀内住15Ⅻk.阕体材料采用s^0”wc9.约束咀及载荷如图3所示。23闸阎阀体应力集中结果比较局部网格细化法同格尺寸为20,缃化等级kvcl=l;子模型法粗糙模型网格尺亦为20,予摸型两格尺寸为IO;自适应网格法最大自适应选代次数设置为1∞,最小单元尺寸为10,最大单元尺寸为50,结构误差控制设置为5%,3种方法得到的最大等效应力分别为:277、263、2砧MPa。通过比较可以看出:局部细化洼对应力集中模拟结果较好;子模型法和自适应网格法操作比较繁琐,需要对模型有较辣刻的

9、认识以及对APDL要求较高;于模型方法对三维问题难以确定其分割边界。3结束语在相同条件下局部细化珐能够很好地模拟阁体应力集中情况,当然该方法也可以用于模拟梯度变化大的其它场问题(如温度场、电磁场、流场等)。局部细化法理解窑易,操作客易,只需加密可能梯度变化较大的节点、单元即可.如果对加密后的结果不满意,还可以提高加密等级甚至还可以多次加密阿格,直至达到满意的精度要求。因此要模拟梯度变化较大的场问题,局部细化法不失为一种既方便又卓有成效的理想方法。参考文献lJ康t明.扬

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