Solidworks安全閥有限元分析

2013-08-13  by:廣州有限元培訓(xùn)實(shí)踐中心  來源:有限元分析培訓(xùn)中心

Solidworks安全閥有限元分析

安全閥是一種常用的排泄容器內(nèi)壓力的閥門,當(dāng)容器壓力超過一定值時,閥門自動開啟,排出一部分流體,令容器內(nèi)壓力降低,當(dāng)壓力降低到一定程度時,閥門自動關(guān)閉,以保持容器內(nèi)的壓力可以固定在一定的范圍內(nèi)。

    安全閥按照單次的排放量,可以分為微啟式安全閥和全啟式安全閥。微啟式安全閥閥瓣的開啟高度為閥座內(nèi)徑的1/15~1/20,全啟式安全閥閥瓣的開啟高度為閥座內(nèi)徑的1/3~1/4。

    本實(shí)例所設(shè)計(jì)安全閥為全啟式安全閥,如圖9-1所示,其中需要使用有限元驗(yàn)證的是:在安全閥“整定壓力”下彈簧的長度,以此來確定調(diào)整螺釘和固定螺釘?shù)某跏嘉恢?分析在“排放壓力”下本安全閥能否達(dá)到所設(shè)計(jì)的開啟高度。

   
    主要流程

    由于本節(jié)的終極目的是得到彈簧的預(yù)緊力長度和驗(yàn)證本實(shí)例所設(shè)計(jì)安全閥的設(shè)計(jì)合理性,本節(jié)在進(jìn)行仿真之初,首先對整個模型進(jìn)行了簡化(理想化),以快速得到需要的分析數(shù)據(jù),然后通過常用的有限元分析步驟——添加應(yīng)用材料、設(shè)置夾具和外部載荷、進(jìn)行分析來得到模型分析結(jié)果。

    此外,安全閥的整定壓力通常為容器工作壓力的1.05倍,安全閥開啟后,閥瓣所受壓力通常只有整定壓力的0.3倍,這兩個參數(shù)是下面在計(jì)算過程中需要用到的。

    實(shí)施步驟
    步驟1 打開本文提供的素材文件“安全閥仿真用有限元模型1.SLDASM”,單擊“常用”工具欄“選項(xiàng)”下拉菜單中的“插件”按鈕,在打開的“插件”對話框中選中前的復(fù)選框,單擊“確定”按鈕,啟用Simulation插件。

    步驟2  單擊“Simulation”工具欄中的“新算例”按鈕,打開“算例”選擇屬性管理器,設(shè)置算例“類型”為靜態(tài),單擊“確定”按鈕,創(chuàng)建一新的有限元算例。

  
    步驟3 右鍵單擊“算例”樹中的“零件”項(xiàng),在彈出的快捷菜單中選擇“應(yīng)用材料到所有”菜單項(xiàng),打開“材料”對話框,為所有零件選用“不銹鋼(碳素體)”材料(此材料耐蒸汽等的腐蝕,也是制作彈簧的常用材料)。

    步驟4 右鍵單擊“算例”樹中的“夾具”項(xiàng),在彈出的快捷菜單中選擇“固定幾何體”菜單項(xiàng),打開“夾具”屬性管理器,選擇裝配體的上邊的模型面為固定面,單擊“確定”按鈕將此面完全固定。

步驟5 再次右擊“夾具”項(xiàng),在打開的快捷菜單中選擇“高級夾具”菜單項(xiàng),打開“夾具”屬性管理器,選擇“在圓柱面上”按鈕,選擇“受力面積仿真座”的圓柱面為只可切向運(yùn)動的面,并選中“徑向”按鈕,單擊“確定”按鈕,令彈簧只能沿軸向壓縮或伸長。

    步驟6  右鍵單擊“算例”樹中的“外部載荷”項(xiàng),在彈出的快捷菜單中選擇“壓力”菜單項(xiàng),打開“壓力”屬性管理器,選擇“受力面積仿真座”的底部面為受力面,設(shè)置壓力大小為525000N/m2,單擊“確定”按鈕,為彈簧添加外部載荷。

    步驟7 右鍵單擊“算例”樹中的“網(wǎng)格”項(xiàng),在彈出的快捷菜單中選擇“生成網(wǎng)格”菜單項(xiàng),打開“網(wǎng)格”屬性管理器,保持系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置,單擊“確定”按鈕,經(jīng)過軟件自動計(jì)算為仿真模型添加網(wǎng)格。

    步驟8 右鍵單擊“算例”樹頂部的“算例1”項(xiàng),在彈出的快捷菜單中選擇“運(yùn)行”菜單項(xiàng),系統(tǒng)自動開始對仿真模型進(jìn)行有限元計(jì)算。計(jì)算過程中系統(tǒng)會彈出“線性靜態(tài)算例”提示對話框,單擊“否”按鈕繼續(xù)(其原因詳見下面提示),完成有限元計(jì)算,并默認(rèn)顯示有限元“應(yīng)力”圖解結(jié)果。

    步驟9  右鍵單擊“算例”樹底部“結(jié)果”文件夾中的“位移1”項(xiàng),在彈出的快捷菜單中選擇“顯示”菜單項(xiàng),在右側(cè)視圖中將圖解顯示模型的位移效果,其最頂部為模型的最大位移,也即是彈簧的壓縮長度,為1.402e+001,即14.02mm,而彈簧的自然長度為126mm,所以可大概確定裝配時應(yīng)使彈簧壓縮后的長度接近于112mm。

    步驟10 通過與步驟1~步驟9相同的操作,打開素材文件“安全閥仿真用有限元模型2.SLDASM”,設(shè)置壓力大小為157500N/m2,其他設(shè)置與前面操作相同,進(jìn)行有限元仿真,可得出此時彈簧的最大位移為26.3mm。

    知識點(diǎn)詳解

    有限元分析是一個復(fù)雜的過程,結(jié)合上面實(shí)例操作,下面再來跟大家一起梳理一遍進(jìn)行有限元分析的基本操作,以及需要注意的問題,具體如下。

    1.SolidWorks Simulation概論

    Simulation(中文字意即是“模擬”)是一款基于有限元分析技術(shù)(FEA)的設(shè)計(jì)分析軟件(實(shí)際上SolidWorks還提供有另外一款有限元分析軟件——SolidWorks Flow Simulation,而Flow Simulation主要用于流體分析)。

    FEA技術(shù)是將自然世界中無限的粒子,劃分為有限個單元,然后進(jìn)行模擬計(jì)算的技術(shù)。FEA技術(shù)不是唯一的數(shù)值分析工具,在工程領(lǐng)域還有有限差分法、邊界元法等多種方法,但是FEA技術(shù)卻是功能最為強(qiáng)大,也是最常使用的分析技術(shù)。

    有限元實(shí)際上也就是有限個單元,為什么要劃分為有限個單元呢?這主要是因?yàn)?就像是要計(jì)算一個圓的面積,可以通過計(jì)算其內(nèi)接多邊形的邊長來近似得到,要得到更加準(zhǔn)確的周長值,可以將多邊形的邊數(shù)無限增加,當(dāng)然最終所計(jì)算的圓的周長值也只能是一個近似值(就像是圓周率是一個無限循環(huán)的小數(shù))。

    在計(jì)算機(jī)中,同樣不能將一個物體的所有因素完全考慮清楚,那將是一個永遠(yuǎn)無法完成的計(jì)算量,所以使用有限個單元模擬無限的物理量不失為一個高明的做法,雖然僅得到了一個近似值,但是在很多領(lǐng)域已經(jīng)足夠了。

    單擊“常用”工具欄“選項(xiàng)”下拉菜單中的“插件”按鈕,在打開的“插件”對話框中可以啟用SolidWorks Simulation插件。

    Simulation插件啟用后,在SolidWorks頂部菜單欄中會增加一個Simulation菜單,此菜單下的子菜單項(xiàng)包含了所有在有限元分析過程中可以進(jìn)行的操作。此外,如啟用了CommandManager功能,在頂部工具欄中將顯示Simulation標(biāo)簽欄,此標(biāo)簽欄中包含了有限元分析的大多數(shù)工具,并進(jìn)行了歸類整理,這是一個具有智能化特點(diǎn)的有限元分析工具欄。

當(dāng)然,在Simulation中,使用Simulation工具欄加模型樹右鍵菜單操作的方式,不失為一種更加直接和簡便易學(xué)的操作方法。通過Simulation工具欄新建需要使用的算例類型后,在左側(cè)算例樹中使用右鍵菜單自上而下順序?qū)渲械倪x項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置,然后進(jìn)行分析,即可初步完成有限元分析操作。

    2.新建有限元算例

    單擊“Simulation”工具欄中的“新算例”按鈕,打開“算例”選擇屬性管理器,設(shè)置算例類型,單擊“確定”按鈕,可以創(chuàng)建一有限元算例。

    Simulation有限元分析共提供了從靜態(tài)到壓力容器設(shè)計(jì)等9種有限元分析方法,其中“靜態(tài)”算例是最常使用的分析算例,可以用于分析線性材料的位移情況、應(yīng)變情況、應(yīng)力及安全系數(shù)等(其他各算例的作用,可參見本章后面的知識拓展)。

    “靜態(tài)”算例的算例樹中,通常包含5項(xiàng),下面解釋一下這些算例項(xiàng)的意義。
    零件:主要用于設(shè)置零件材料,未對零件設(shè)置材料,分析過程中會給出錯誤提示,未設(shè)置材料的零件其圖標(biāo)前無“對勾”,設(shè)置過的將以“對勾”標(biāo)識。
    連接:用于在分析裝配體時,添加零部件間的連接關(guān)系,可以添加彈簧連接、軸承連接和螺栓連接等多種連接關(guān)系(添加連接關(guān)系后,可將原有的一些分析因素省掉,如添加了螺栓連接,就可在分析模型中不包含螺栓)。
    夾具:設(shè)置模型固定位置的工具,為了分析的方便,模型總有一部分是固定不動的,添加夾具后可以省去對原有夾具的分析,以進(jìn)一步理想化分析模型。
    外部載荷:設(shè)置模型某時間點(diǎn)的受力情況,可添加力、壓力、扭矩、引力、離心力等,也可對溫度等進(jìn)行模擬。
    網(wǎng)格:用于對模型劃分網(wǎng)格,也可以控制模型個別位置網(wǎng)格的密度,以保證分析結(jié)果的可靠性。

    3 設(shè)置零件材料

    右擊“算例”樹中的“零件”項(xiàng),在彈出的快捷菜單中選擇“應(yīng)用材料到所有”菜單項(xiàng)(或右擊“零件”項(xiàng)下的某個零件,在彈出的快捷菜單中選擇“應(yīng)用/編輯材料”菜單項(xiàng)),打開“材料”對話框,然后可以為所有零件或某個零件選用材料。

    用戶無法對默認(rèn)材料庫中的材料屬性進(jìn)行編輯(只可以選用),如需要使用系統(tǒng)未定的材料,可以在下部的“自定義材料”分類中進(jìn)行添加。添加自定義材料時需要注意,紅色的選項(xiàng)是必填項(xiàng),是必需的材料常數(shù),在大多數(shù)分析中都會被用到;藍(lán)色的為選填項(xiàng),只在特定的載荷中才會被使用。

    4 固定零部件

    右鍵單擊“算例”樹中的“夾具”項(xiàng),在彈出的快捷菜單中選擇“固定幾何體”菜單項(xiàng)(或其他固定工具),打開“夾具”屬性管理器,選擇模型的某個面、線或頂點(diǎn),可為模型添加固定約束。

    “固定幾何體”是完全定義模型位置的約束(關(guān)于其他約束的意義,詳見本章“實(shí)例35”中知識點(diǎn)的講述),被約束的對象在沒有彈性變形的情況下將完全無法運(yùn)動,而被添加夾具的面或線上將顯示夾具標(biāo)記,標(biāo)識對點(diǎn)的6個自由度(3個平移自由度和3個旋轉(zhuǎn)自由度)作了限制(不同夾具所限制的自由度個數(shù)有所不同,標(biāo)識也會有所不同)。

    5.添加載荷

    右鍵單擊“算例”樹中的“外部載荷”項(xiàng),在彈出的快捷菜單中選擇要添加的載荷(如選擇“力”項(xiàng)),打開“力/扭矩”屬性管理器,然后設(shè)置力的受力位置、方向和大小等要素,即可添加外部載荷。

    在添加外部載荷的過程中,關(guān)鍵是對載荷的大小和方向的設(shè)置,如在上面“力/扭矩”對話框中,除了可以通過面的法向設(shè)置力的方向外,還可以通過選定的方向設(shè)置力的方向。在“單位”卷展欄中可設(shè)置力的單位(SI為國際單位,即牛[頓],此外也可以使用英制和公制),在“符號設(shè)定”卷展欄中可以設(shè)置力符號的顏色和大小。

    此外,一次可同時在多個不同面上添加不同方向的多個力,在“力/扭矩”卷展欄中,“按條目”是指在每個面上添加單獨(dú)所設(shè)置的力值,而按“總數(shù)”則是在兩個面上按比例分配所設(shè)置的力值。
6.網(wǎng)格劃分

    右鍵單擊“算例”樹中的“網(wǎng)格”項(xiàng),在彈出的快捷菜單中選擇“生成網(wǎng)格”菜單項(xiàng),打開“網(wǎng)格”屬性管理器,設(shè)置合適的網(wǎng)格精度或保持系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置,單擊“確定”按鈕,可以為模型劃分網(wǎng)格。

    通過“網(wǎng)格”屬性管理器“網(wǎng)格密度”卷展欄中的精度條可以調(diào)整網(wǎng)格的進(jìn)度,網(wǎng)格精度越大,模型分析結(jié)果越接近真實(shí)值,但是用時也越長。

    SolidWorks提供了兩種網(wǎng)格單元(針對實(shí)體):一種為一階單元;一種為二階單元。一階單元(即所謂的草稿品質(zhì)),具有4個節(jié)點(diǎn),二階單元具有10個節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)默認(rèn)選用二階單元劃分網(wǎng)格,如需選用一階單元劃分網(wǎng)格,可選擇“網(wǎng)格”屬性管理器“高級”卷展欄中的“草稿品質(zhì)網(wǎng)格”復(fù)選框。

    此外,“高級”卷展欄中的“雅可比點(diǎn)”用于設(shè)定在檢查四面單元的變形級別時要使用的積分點(diǎn)數(shù),值越大計(jì)算越精確,所用時間越長?！斑x項(xiàng)”卷展欄中的“不網(wǎng)格化而保存設(shè)置”復(fù)選框表示只設(shè)置新的網(wǎng)格數(shù)值而不立即進(jìn)行網(wǎng)格化處理;選中“運(yùn)行(求解)分析”復(fù)選框,可在網(wǎng)格化之后立即運(yùn)行仿真算例分析。

    7.分析并看懂分析結(jié)果
    右鍵單擊“算例”樹頂部的“算例X”項(xiàng) ,在彈出的快捷菜單中選擇“運(yùn)行”菜單項(xiàng),可以對仿真模型進(jìn)行有限元計(jì)算,完成有限元計(jì)算后系統(tǒng)將默認(rèn)顯示有限元“應(yīng)力”的圖解結(jié)果。

    在有限元分析圖解結(jié)果中,右側(cè)的顏色條與模型上的顏色緊密對應(yīng),在“應(yīng)力”圖解中,默認(rèn)使用紅色表示當(dāng)面實(shí)體上所受到的最大應(yīng)力,使用藍(lán)色表示所受到的較少應(yīng)力,根據(jù)顏色條上的值可以讀出應(yīng)力大小。在顏色條的下端顯示有當(dāng)前模型的屈服力值,如實(shí)體材料已處于屈服狀態(tài),將在顏色條中用箭頭標(biāo)識屈服點(diǎn)的位置。

    “靜態(tài)”分析后,系統(tǒng)默認(rèn)生成3個分析結(jié)果,分別為應(yīng)力、位移和應(yīng)變。右擊算例樹中的“結(jié)果”項(xiàng),可在打開的快捷菜單中選擇需要的菜單項(xiàng),添加其他算例分析結(jié)果,如選擇“定義疲勞檢查圖解”菜單項(xiàng),在打開的對話框中選用轉(zhuǎn)載類型,或保持系統(tǒng)默認(rèn)單擊確定按鈕可添加疲勞檢查圖解。

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