該示例問題演示了2-D到3-D分析的能力和優點，這些問題需要將2-D模型解擴展到相應的擠出3-D實體。

重點介紹了以下特性和功能：

• 將二維模型擠出為三維模型（EEXTRUDE）。

• 將解變量從二維網格映射到新的三維網格，并重新平衡結果（MAP2DTO3D）。

• 通過多幀重啟繼續分析三維模型

介紹

螺紋管接頭在石油、天然氣和海上管道應用中很常見。它們在管道頻繁耦合和分離的環境中連接管道。連接器必須能夠承受苛刻的操作條件，因為它們通常承受內部壓力、軸向拔出、彎曲和扭轉載荷。

即使在可能的情況下，使用三維模型開始螺紋連接模擬也是困難且耗時的。軸對稱載荷很重要，很難通過接觸來解決，而螺紋連接的詳細檢查通常需要精細的網格。

由于加載的前幾個階段（如內壓和軸向拔出）本質上是軸對稱的，并且導致非軸對稱變形（如彎曲）的載荷發生在稍后，因此可以使用Mechanical APDL的2-D到3-D分析功能在分析的早期執行更簡單的2-D分析，隨后進行一般的3-D分析。

2-D到3-D分析包括將2-D變形網格擠出到新的3-D網格。該程序根據需要更新數據庫，根據需要生成接觸單元，并將邊界條件、載荷和節點溫度從二維網格傳遞到擠出三維網格。該程序將所有求解的變量（節點和單元解）映射到新的三維網格，并自動重新平衡三維模型的解。然后，可以通過多幀重啟動，根據需要應用非軸對稱加載，繼續對三維模型進行分析。

問題描述

以下是本示例問題中使用的螺紋連接模型的幾何結構：

分析分為三個步驟：

• 第1步：求解內部壓力和端蓋載荷下的二維軸對稱螺紋連接模型。

• 第2步：將二維軸對稱模型轉換為完整的三維模型。

• 第3步：繼續分析彎曲載荷下的三維螺紋連接模型。

第一步中的幾何結構和載荷是軸對稱的，因此分析從二維軸對稱模型開始，以求解內部壓力和拉伸載荷。使用2-D到3-D分析，將2-D變形網格擠出成新的3-D網格，并將解結果映射到3-D模型。然后繼續對三維模型進行分析，在三維模型上施加非軸對稱（彎曲）載荷。

使用二維軸對稱模型而不是三維模型開始螺紋連接分析：

• 所需的計算時間大大減少。

• 在創建手動接觸對時方便接觸建模。

• 在使用接觸對求解二維模型時，降低了收斂問題的可能性。

建模

該模型使用具有軸對稱特性的PLANE182二維四節點結構實體單元（KEYOPT（3）=1）：

關鍵位置螺紋的映射網格具有足夠的網格密度：

接觸建模

螺紋連接的二維軸對稱模型有兩個接觸對：

柔性-柔性接觸對使用低摩擦值（µ=0.05）。螺紋之間存在非常少量的初始穿透（包括在接觸分析中）。可以在2-D到3-D映射過程中更改此接觸對的某些屬性（例如包括/排除初始穿透或修改定位球區域）。可能需要一些實驗來確定接觸參數，以解決求解映射（MAP2DTO3D，SOLVE）期間出現的收斂問題（如果有的話）。

剛性-柔性接觸對在二維軸對稱分析中不起作用。然而，當在擠出的三維模型上施加彎曲載荷時（通過為該接觸對創建的導向節點），三維模型需要此功能。

當二維軸對稱網格被擠出為三維網格（EEXTRUDE）時，程序將為三維模型創建兩個接觸對。

材料屬性

螺紋連接模型使用具有彈塑性行為的結構鋼。非線性運動硬化材料模型具有以下與溫度無關的材料特性：

邊界條件和加載

二維軸對稱分析的邊界條件和載荷

端蓋載荷施加在模型的頂端，底端在所有自由度上固定，施加內壓力：

循環內部壓力和端蓋載荷：

三維擠出模型上的載荷

在將2-D模型轉換為3-D之后，在3-D模型上施加彎曲載荷。為此，在二維模型中創建了剛性到柔性冗余觸點對。在三維擠壓模型中，0.4度的彎曲載荷施加在接觸對的導向節點上。

分析和求解控制

步驟1：使用壓力和端蓋載荷進行二維軸對稱分析

在五個載荷步中進行了具有大變形效應（NLGEOM，ON）的靜態結構分析。

分析涉及壓力和端蓋載荷的兩個完整加載/卸載循環。在第五個載荷步中，應用壓力和端蓋載荷的最終值。

步驟2：將二維模型擠出為三維模型

三維模型從二維模型中擠出：

2.1	啟動二維到三維分析	MAP2DTO3D，START，5，4	最后通過重建二維分析數據庫開始分析
2.2	從二維變形網格擠出到三維網格	EEXTRUDE,AXIS,40,,,,,,1	圍繞全局Y軸旋轉二維變形幾何體，沿環向旋轉40個單元。 重要：確保環向上有足夠數量的單元，以在標測期間再現正確的接觸結果。
2.3	映射邊界條件和載荷	MAP2DTO3D,FINISH	傳遞邊界條件、壓力荷載、施加的節點力、節點位移以及施加的節點條件和載荷。從二維網格到拉伸中相應實體的溫度三維模型。
2.4	映射解變量	MAP2DTO3D,SOLVE	將節點和單元解從二維模型轉移到三維模型，并啟動再平衡。

擠出后，可以修改一些接觸設置（如果需要在重新平衡期間解決收斂問題）。有限的預處理是可能的。您可以創建新的觸點對，修改材料特性以供以后在三維分析中使用，并更改KEYOPT設置。（但是，在更改KEYOPT時要小心，因為不適當的修改會導致重新平衡后的三維模型結果不同。）

步驟3：求解帶有彎曲載荷的三維模型

在施加彎曲載荷的情況下，繼續對三維模型進行分析（通過多幀重啟東）：

3.1	重啟動分析	ANTYPE,,RESTART,5,5	分析在MAP2DTO3D，SOLVE之后的最后一個收斂子步驟執行多幀重新啟動。（在這種情況下，這是第五個加載步的第五個子步。）
3.2	施加彎曲載荷	D,Pilotnode,ROTZ,-0.00698	將彎曲載荷施加在剛性到柔性觸頭對的導向節點上（在三維模型的頂面上）。在導向節點上施加0.4度的彎曲載荷。
3.3	求解和查看結果	SOLVE	求解三維分析，并通過POST1中的標準輸出命令（PLNSOL和*GET）查看結果。

結果和討論

以下是二維軸對稱分析后的等效應力和總機械等效應變圖：

下圖顯示了映射后擠出三維模型上的等效應力和總機械等效應變圖（MAP2DTO3D，SOLVE）：

正如預期的那樣，結果與相應的二維模型的結果非常吻合。然而，如果接觸設置在二維和拉伸三維模型中不等效，結果可能會有所不同。在這種情況下，試驗接觸設置以獲得匹配結果。

下圖顯示了通過多框架重新啟動分析求解彎曲載荷后三維模型上的等效應力和總機械等效應變圖：

下圖顯示了使用彎曲載荷求解三維模型后螺紋上的彎曲應力圖：

該圖顯示了映射后三維模型螺紋區域上的接觸壓力圖（MAP2DTO3D，SOLVE）：

正如預期的那樣，接觸壓力在圓周方向上是均勻的。

以下是分析結束時螺紋區域的接觸壓力圖：

由于彎曲，螺紋連接僅在一側承受大部分載荷。

此動畫顯示了整個分析過程中螺紋連接的接觸壓力變化：

此動畫顯示了完整分析期間的等效應力結果，以及最后一個加載步（彎曲期間）螺紋連接狀態的變化：

建議

要執行類似的分析，考慮以下提示和建議：

• 每個90度象限在環向上至少有八個單元（即，360度模型的無偏網格中至少有32個單元），以在2-D到3-D映射（MAP2DTO3D）期間正確再現接觸結果。

• 如果在2-D到3-D映射期間出現接觸相關的收斂問題，請嘗試修改一些接觸參數（例如穿透公差、彈球半徑、FKN、FKT等）。在將節點和單元解從二維模型映射到三維模型并重新平衡結果（MAP2DTO3D、SOLVE）之前，必須發生任何此類接觸參數變化。

• 若要在三維模型上施加彎曲載荷，請在二維模型中創建具有指定導向節點的剛性到柔性冗余觸點對。程序使用導向節點施加彎曲載荷。

• 驗證三維模型結果與二維模型結果非常相似。（預期差異較小，尤其是接觸結果。）