搜索基于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、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
聲波測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井儀器最薄弱的零件,所以導致整個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,因此設計外殼時,需要考慮聲系外殼最薄弱地方的應力。由于其幾何形狀不規(guī)則,應用經典材料力學公式很難計算出其危險截面應力,所以有限元分析法就成為了解決工程問題的重要方式。ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁及聲學于一體的大型通用有限元分析軟件,可廣泛應用于機械、電機、土木、電子及航空等不同領域。它是眾多有限元分析軟件中較出色的一個,以其高效的求解算法和效率聞名,并有相對獨立的前、后處理體系,可獨立完成多學科、多領域的分析任務。但是,在處理分析過程中,ANSYS優(yōu)點明顯,其缺點也同樣突出,建模能力弱。proe中是一個高效的三維機械設計工具,可以迅速建立任何復雜曲面,本文將借助proe模塊進行建模,然后導入ANSYS中進行分析,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力,為聲系外殼的改進設計提供依據。
1 曲軸三維實體參數化模型建立和計算
1.1幾何模型
聲系外殼長度為2165mm,零件長度過大,在ANSYS里劃分單元數量大,給計算帶來很大難度。本文取其截面最小部分進行建模分析,模型尺寸參數如下:外徑為89mm,內徑為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,材料性能參數為:
許用應力[σ]t=800 MPa;
屈服應力[σ]s=1000 MPa;
彈性模量E=200 Gpa;
泊松比μ=0.27。
由于結構較為復雜,所以首先在proe里建模,然后通過數據轉換到ANSYS里面。模型是對稱的,利用其對稱性取其一半進行分析,可以在保證計算精度的條件下提高計算效率,模型如圖2所示。
1.2 邊界條件及載荷
選取solid45單元,用于構造三維固體結構。單元通過8個節(jié)點來定義,每個節(jié)點有3個沿著xyz方向平移的自由度。單元具有超彈性、應力鋼化、蠕變、大變形和大應變能力。定義材料屬性,彈性模量E=200 GPa,泊松比μ=0.27。
進入前處理器,將模型用命令VSBW切割成多個體,如圖3所示。分割模型不但可以減少單元數量,還可以提高計算精度和速度。選擇自由網格劃分工具,然后采用自由網格技術進行劃分,自由網格劃分是自動化程度最高的網格劃分技術之一,它在面上可以自動生成三角形或四邊形網格,在體上自動生成四面體網格。通常情況下,可利用ANSYS的智能尺寸控制技術來自動控制網格的大小和疏密分布,也可進行人工設置網格的大小并控制疏密分布以及選擇分網算法等。如圖4所示,共劃分128453個單元,25167個節(jié)點,據分析,槽周圍是應力集中部位,網格劃分較密,兩端受力較小,劃分稀疏。
根據對稱結構的特點,在模型左端施加軸向約束,位移為0,在對稱截面上施加對稱約束,在模型右端面施加拉力20 t,轉換為等效拉應力為42166Pa,如圖5所示。
1.3 分析結果
如圖6所示,從有限元應力分析結果中可以看出,在槽的過渡圓角處存在應力集中現象,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,應力集中的影響很小,因此可以忽略應力集中的影響。材料危險截面處的最大拉應力為400 MPa。從圖6的應力云圖中可以看出,最危險的位置是兩槽之間與水平方向成45°的截面最易被拉斷,這和實際測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)計算方法,通常取圓周方向最小截面處作為危險截面,按材料力學公式計算最大應力為:
S=6.723 ×10-4m2
F=2 ×10 4N;
p=F /S=297 MPa
可見在此情況下,當外力大于聲系外殼所能承受的屈服極限時,按傳統(tǒng)取最小截面方法仍能滿足要求,而實際上可能已經超出材料所能承受最大應力,所以不能準確計算儀器所能承受的最大拉力。而用有限元方法能有效的計算出儀器能承受最大拉力和危險截面。
改變槽寬為4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm,在施加20 t拉力時分別求出聲系外殼薄弱處的最大應力。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力。
從表1中可以看出,當槽寬為6 mm時候,聲系外殼薄弱處的應力最小,寬為4 mm的時候薄弱處應力最大,并且過渡圓角處出現較為嚴重的局部塑性變形,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,但是薄弱處的應力并不隨著槽寬變大而變大,這是因為薄弱處不在圓周方向上,而在槽與槽之間的斜面上。
2 結論
首先在proe3.0平臺上利用proe3.0參數化特性建立參數化的聲系外殼三維實體模型,然后通過數據轉換導入ANSYS,對模型進行了應力分析,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力,為進一步改進設計、優(yōu)化加工提供了可靠的數據支持。
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