基于proe和ANSYS的聲系外殼的有限元分析

2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

聲波測(cè)井是石油儀器中最重要的部分,但是由于聲系外殼是聲波測(cè)井儀器最薄弱的零件,所以導(dǎo)致整個(gè)儀器的抗拉和抗壓性能下降。在井況比較惡劣的條件下,如果遇阻,聲系外殼很容易就被拉斷,因此設(shè)計(jì)外殼時(shí),需要考慮聲系外殼最薄弱地方的應(yīng)力。由于其幾何形狀不規(guī)則,應(yīng)用經(jīng)典材料力學(xué)公式很難計(jì)算出其危險(xiǎn)截面應(yīng)力,所以有限元分析法就成為了解決工程問題的重要方式。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁及聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件,可廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電機(jī)、土木、電子及航空等不同領(lǐng)域。它是眾多有限元分析軟件中較出色的一個(gè),以其高效的求解算法和效率聞名,并有相對(duì)獨(dú)立的前、后處理體系,可獨(dú)立完成多學(xué)科、多領(lǐng)域的分析任務(wù)。但是,在處理分析過程中,ANSYS優(yōu)點(diǎn)明顯,其缺點(diǎn)也同樣突出,建模能力弱。proe中是一個(gè)高效的三維機(jī)械設(shè)計(jì)工具,可以迅速建立任何復(fù)雜曲面,本文將借助proe模塊進(jìn)行建模,然后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析,提高建模和分析效率。通過分析找到了聲系外殼的薄弱環(huán)節(jié),并通過改變槽寬,比較了在不同情況下的應(yīng)力,為聲系外殼的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 曲軸三維實(shí)體參數(shù)化模型建立和計(jì)算

1.1幾何模型

聲系外殼長(zhǎng)度為2165mm,零件長(zhǎng)度過大,在ANSYS里劃分單元數(shù)量大,給計(jì)算帶來很大難度。本文取其截面最小部分進(jìn)行建模分析,模型尺寸參數(shù)如下:外徑為89mm,內(nèi)徑為70.6mm,槽寬為6mm,在軸向上槽間距為22mm,在圓周方向上槽間距120°,如圖1所示。

零件材料采用0Cr17Ni4Cu,材料性能參數(shù)為:

許用應(yīng)力[σ]t=800 MPa;

屈服應(yīng)力[σ]s=1000 MPa;

彈性模量E=200 Gpa;

泊松比μ=0.27。

由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,所以首先在proe里建模,然后通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到ANSYS里面。模型是對(duì)稱的,利用其對(duì)稱性取其一半進(jìn)行分析,可以在保證計(jì)算精度的條件下提高計(jì)算效率,模型如圖2所示。

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1.2 邊界條件及載荷

選取solid45單元,用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)。單元通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著xyz方向平移的自由度。單元具有超彈性、應(yīng)力鋼化、蠕變、大變形和大應(yīng)變能力。定義材料屬性,彈性模量E=200 GPa,泊松比μ=0.27。

進(jìn)入前處理器,將模型用命令VSBW切割成多個(gè)體,如圖3所示。分割模型不但可以減少單元數(shù)量,還可以提高計(jì)算精度和速度。選擇自由網(wǎng)格劃分工具,然后采用自由網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行劃分,自由網(wǎng)格劃分是自動(dòng)化程度最高的網(wǎng)格劃分技術(shù)之一,它在面上可以自動(dòng)生成三角形或四邊形網(wǎng)格,在體上自動(dòng)生成四面體網(wǎng)格。通常情況下,可利用ANSYS的智能尺寸控制技術(shù)來自動(dòng)控制網(wǎng)格的大小和疏密分布,也可進(jìn)行人工設(shè)置網(wǎng)格的大小并控制疏密分布以及選擇分網(wǎng)算法等。如圖4所示,共劃分128453個(gè)單元,25167個(gè)節(jié)點(diǎn),據(jù)分析,槽周圍是應(yīng)力集中部位,網(wǎng)格劃分較密,兩端受力較小,劃分稀疏。

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根據(jù)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),在模型左端施加軸向約束,位移為0,在對(duì)稱截面上施加對(duì)稱約束,在模型右端面施加拉力20 t,轉(zhuǎn)換為等效拉應(yīng)力為42166Pa,如圖5所示。

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1.3 分析結(jié)果

如圖6所示,從有限元應(yīng)力分析結(jié)果中可以看出,在槽的過渡圓角處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,但是由于材料是在靜載條件下,而且使用的是塑性材料,從圖6中可以看出,應(yīng)力集中的影響很小,因此可以忽略應(yīng)力集中的影響。材料危險(xiǎn)截面處的最大拉應(yīng)力為400 MPa。從圖6的應(yīng)力云圖中可以看出,最危險(xiǎn)的位置是兩槽之間與水平方向成45°的截面最易被拉斷,這和實(shí)際測(cè)井中外殼被拉斷的情況相符合,圖7為模型受力變形圖。

按傳統(tǒng)計(jì)算方法,通常取圓周方向最小截面處作為危險(xiǎn)截面,按材料力學(xué)公式計(jì)算最大應(yīng)力為:

S=6.723 ×10-4m2

F=2 ×10 4N;

p=F /S=297 MPa

可見在此情況下,當(dāng)外力大于聲系外殼所能承受的屈服極限時(shí),按傳統(tǒng)取最小截面方法仍能滿足要求,而實(shí)際上可能已經(jīng)超出材料所能承受最大應(yīng)力,所以不能準(zhǔn)確計(jì)算儀器所能承受的最大拉力。而用有限元方法能有效的計(jì)算出儀器能承受最大拉力和危險(xiǎn)截面。

改變槽寬為4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm,在施加20 t拉力時(shí)分別求出聲系外殼薄弱處的最大應(yīng)力。表1為在不同槽寬的情況下,聲系外殼的薄弱處所受的最大應(yīng)力。

從表1中可以看出,當(dāng)槽寬為6 mm時(shí)候,聲系外殼薄弱處的應(yīng)力最小,寬為4 mm的時(shí)候薄弱處應(yīng)力最大,并且過渡圓角處出現(xiàn)較為嚴(yán)重的局部塑性變形,所以不宜采用。從表1中也可以看出隨著槽寬變大,位移也逐漸變大,但是薄弱處的應(yīng)力并不隨著槽寬變大而變大,這是因?yàn)楸∪跆幉辉趫A周方向上,而在槽與槽之間的斜面上。

2 結(jié)論

首先在proe3.0平臺(tái)上利用proe3.0參數(shù)化特性建立參數(shù)化的聲系外殼三維實(shí)體模型,然后通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換導(dǎo)入ANSYS,對(duì)模型進(jìn)行了應(yīng)力分析,找到了聲系外殼最易斷裂的位置,并通過改變槽的寬度,比較了不同尺寸下模型薄弱處的最大應(yīng)力,為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)、優(yōu)化加工提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

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