基于ansys的阀门实体建模与有限元分析

基于ansys的阀门实体建模与有限元分析

油田专用黑棒平板阀种类少，设计和开发周长。尤其是计算机技术广泛应用的今天,却依然采用传统的方法进行阀门的设计和样机试验验证,强度校核计算也只是把阀体结构由一个复杂的四通结构简化为一个直通的厚壁筒体,对结构本身的复杂特点未能充分考虑,造成模型与实际受力偏差较大,给设计计算带来较大的误差。所以,有必要将CAD、CAE技术引入油田阀门的设计、生产与制造,用CAD软件完成所有零件结构设计,对所设计的阀门进行实体仿真装配,从而进行动态干涉检查;再用CAE软件对零件进行各种复杂的有限元分析,优化设计参数,最终完成产品设计。从而大大减少人力、物力和财力,大大缩短产品设计周期,大大降低强度校核的偏差。本文以三维建模软件Pro/E和ANSYS有限元分析软件相结合,进行阀门的三维设计和有限元分析。Pro/E拥有强大的实体和曲面造型功能,而ANSYS具有完善的有限元分析功能,尽管ANSYS有一定的三维建模功能,但对于复杂的机械系统,还不及Pro/E软件。鉴于此,考虑借助于三维建模功能很强的Pro/E软件来建立阀门的三维实体模型,然后将模型导入ANSYS进行有限元分析,从而实现用计算机完成零件设计和分析。1实体模型的构建1.1创建环境单位制建模过程中应特别注意单位的设置,因为ANSYS中没有单位制,在ANSYS中输入基本单位(如长度、质量、时间)时,要求单位必须一致。但有时也需要直接输入一些导出量(如力、压力等),这时就要确保这些导出量与基本物理量属于同一个单位制,否则需要量纲换算。所以在Pro/E中建立每一种零部件的单位都应设定为国际单位制“MKS”(MeterKilogramSecond),同样在创建装配图时也要注意这个问题。a)修改并生成环境配置文件,这样每次启动Pro/E时,可自动载入关于单位的环境设置。b)完成各个零件的建模后,就需要把各个零件组装成装配图,建立装配图时需考虑各个构件运动的初始位置,并在开始装配时就设置成构件运动的初始位置,避免以后再进行调整。1.2侧压板方案阀门轴侧装配图是应用Pro/E的实体造型模块生成的,采用扫略和体素构型,并在装配模块中组装得到的。建好的实体模型如图1。1.3兰草图的位置平板阀阀体的建模有3个过程。a)绘制曲面草图。b)设定该草图与中法兰及端面法兰草图的位置关系。c)拉伸曲面。在阀体造型过程中圆弧曲面的圆弧半径及位置在常规设计中很难计算,而用Pro/E软件则可以根据其与端法兰和中法兰的相关性,一旦确定中法兰及端法兰的位置尺寸,则自动生成曲面,进而生成造型匀称合理的阀体。实体模型如图2。2元音分析对选定字段的分析2.1o/e软件的无缝接口由于阀体结构为前后左右对称结构,依据模型简化理论,将阀体分割成1/2。通过ANSYS与Pro/E软件的无缝接口,将阀体模型导入ANSYS中,整个转换过程在不脱离Pro/E和ANSYS这2个软件的情况下进行,从而实现了二者之间的无缝连接,真正做到了CAD、CAE的一体化。比较导入前、后的模型可见,模型没有发生扭曲、丢面、多面等现象,确保了信息的完整(如图3)。2.2单元类型的确定网格划分是建模中非常重要的一个环节,网格划分的好坏将直接影响计算结果的准确性和计算进度,甚至会因为网格划分不合理而导致计算不收敛。根据该阀体的结构特点、载荷类型以及分析的需要,选择单元类型为SOLID187,网格划分尺寸应不大于阀体的最小壁厚值。最后采用自由网格划分的方法进行网格的划分,结果如图4。2.3强度及比b的测定由于阀体材料为ZG35Mo,屈服点σs=414MPa;抗拉强度σb=586MPa;杨氏模量E=205GPa;泊松比μ=0.29;工作压力35MPa。在ANSYS的材料属性对话框中,设置材料的杨氏模量和泊松比分别为2.05×1011和0.29。2.4施加面力载荷a)添加约束在模型的对称截面上施加对称约束,同时在3个法兰端面上施加全约束。b)施加面力载荷载荷特征为均匀内压,根据阀体的试验压力,在阀体的内表面施加载荷35MPa。施加约束和载荷后的结果如图5。2.5但是，解决选择PCG迭代求解器,由计算机自动完成求解运算。2.6元分析的后续和结论后处理的主要目的是检查分析结果,由于本例属于静态结构分析,所以选用通用后处理器来进行分析结果的检查。结果如图6~7。3危险部位选择从节点应力云图可知,在阀体出口管的内侧弯道处(三通交叉处)出现最大应力,表明平板阀的危险部位在内表面相贯线拐角处。相贯部位倒圆角及减小支管直径,能有效地降低相贯部位的应力集中,从而提高平板阀的使用寿命。还可以看出,平板阀的应力关于侧孔水平轴近似对称,因此在建立计算模型时完全可以取阀体的1/4作为计算对象,而其精度仍能达到工程要求。4平板阀有限元分析通过实例阐述了利用三维建模软件Pro/