ansys壁厚計(jì)算
關(guān)注創(chuàng)建者：王靖雯 創(chuàng)建時(shí)間：2023-03-07
ansys壁厚計(jì)算的實(shí)例教程
厚壁管的自增強(qiáng)技術(shù)有限元數(shù)值計(jì)算
1 概述
自增強(qiáng)是利用材料自身的彈塑性變形產(chǎn)生預(yù)加應(yīng)力，從而增強(qiáng)承載能力的方法，自增強(qiáng)技術(shù)在很多方面都有應(yīng)用，通常炮管、壓力容器等，壁厚較大的容易尤其應(yīng)用較多，這些構(gòu)件承載壓力一般也很大。
常用的自增強(qiáng)處理的過程是在管子的內(nèi)壁上施加足夠大的徑向力，使材料發(fā)生一定的塑性變形，達(dá)到這一過程多采用靜壓法，也即施加較大的壓力，使材料超過其屈服極限。
本次以一個(gè)厚壁管子的自增強(qiáng)作介紹，參考《Analysis of autofrettaged high pressure components》。
2 過程
對(duì)于此類回轉(zhuǎn)體，可以采用軸對(duì)稱模型進(jìn)行計(jì)算。如圖1，內(nèi)徑1.5mm，外徑5mm，高度1mm。
圖1 幾何模型
自增強(qiáng)過程材料必定會(huì)發(fā)生塑性變形，因而定義材料屬性時(shí)包括彈性階段（彈性模量和泊松比）以及塑性階段（應(yīng)力應(yīng)變），如圖2，塑性定義時(shí)需要考慮材料的強(qiáng)化屬性，材料真實(shí)的強(qiáng)化規(guī)律很復(fù)雜，通常采用簡(jiǎn)化的等向強(qiáng)化和隨動(dòng)強(qiáng)化兩種模型進(jìn)行代替。
等向強(qiáng)化模型假設(shè)，在塑性變形過程中，加載面作均勻擴(kuò)大，即加載面僅決決定于一個(gè)強(qiáng)化參量；隨動(dòng)強(qiáng)化模型假設(shè),在塑性變形過程中，加載面的大小和形狀不變，僅整體地在應(yīng)力空間中作平動(dòng)。
對(duì)于多數(shù)實(shí)際材料,強(qiáng)化規(guī)律大多介于等向強(qiáng)化和隨動(dòng)強(qiáng)化之間。在加載過程中,如果在應(yīng)力空間中應(yīng)力矢量的方向(或各應(yīng)力分量的比值)變化不大，則等向強(qiáng)化模型與實(shí)際情況較接近。由于這種模型便于數(shù)學(xué)處理，所以應(yīng)用較為廣泛。隨動(dòng)強(qiáng)化模型考慮了包辛格效應(yīng)，可應(yīng)用于循環(huán)加載和可能反向屈服的問題中。
圖2 材料屬性定義
自增強(qiáng)過程是預(yù)處理過程，即在正常使用之前在管子內(nèi)壁面施加足夠大的壓力，然后卸載，再即是正常使用，本次載荷步設(shè)置三個(gè)，載荷步1為加壓過程，載荷步2為卸載過程，載荷步3為正常工作。
展開 在傳統(tǒng)的壓力容器設(shè)計(jì)中，為了保證容器的安全性，設(shè)計(jì)者總是盡量增大容器的壁厚，以增加容器的承壓能力。隨著分析設(shè)計(jì)概念的提出，設(shè)計(jì)者越來越多地對(duì)壓力容器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過這一過程，可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)剛度，滿足技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)輕量化的目標(biāo)。本例通過壓力容器壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終在滿足給定剛度和強(qiáng)度要求下，使容器的重量達(dá)到最小。
問題描述
現(xiàn)有一處于設(shè)計(jì)狀態(tài)的反應(yīng)器如下圖所示，反應(yīng)器筒體壁厚均均，無尖角，但在端部部位壁厚在過渡位置處有所增加。
整個(gè)反應(yīng)器采用同一種材料制造，其參數(shù)如下：
設(shè)計(jì)壓力：P=23MPa（工作壓力為21MPa）
彈性模量：E=206GPa
泊松比：μ=0.3
設(shè)計(jì)要求：通過壁厚的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使最終在滿足給定的剛度和強(qiáng)度要求下，整個(gè)反應(yīng)器的重量達(dá)到最小。筒體壁厚參考范圍16≤t1≤19，端部壁厚21≤t2≤25。規(guī)定[σ]=250MPa。
分析說明
下面建立力學(xué)模型，根據(jù)壓力容器結(jié)構(gòu)特性和受力特點(diǎn)，采用軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在容器內(nèi)壁施加垂直于壁面的均勻壓力P=23MPa，在封頭端部，根據(jù)材料力學(xué)理論，其水平拉應(yīng)力為17.68MPa，方向?yàn)閥軸正向。
根據(jù)截面結(jié)構(gòu)顯示，選定容器的壁厚t1、t2作為設(shè)計(jì)變量。σ為優(yōu)化設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力強(qiáng)度，作為一個(gè)約束條件。綜上所述，可得到反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為：
16≤t1≤19
21≤t2≤25
Wt=minf(X)
X=[t]
σ≤[σ]
其中f（X）表示壓力容器的重量。
模擬過程
采用二維軸對(duì)稱模型，建模過程中對(duì)筒體壁厚參數(shù)化，命名為t1、對(duì)端部壁厚參數(shù)化，命名為t2，模型尺寸如下圖所示，h1=298.5mm,、b1=44.5mm、t2=23mm、b2=b1+t2、r1=185、t1=18、r2=r1+t1、r3=63mm，r4=40mm。
展開 1.4 仿真結(jié)果及分析
ANSYS Workbench 后處理器提供了友好的用戶界面，可以計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值，并能通過云圖的形式表達(dá)出來[7]。
通過對(duì)液壓閥塊 4 個(gè)內(nèi)部封閉腔施加 42 MPa 的極限壓力后仿真，得出了液壓閥塊所受的 Von Mises等效應(yīng)力云圖與等效彈性應(yīng)變?cè)茍D，分別如圖 5、圖 6所示。
從計(jì)算結(jié)果中可以看出，液壓閥塊所受的 VonMises 最大等效應(yīng)力與最大等效彈性應(yīng)變出現(xiàn)在最小壁厚間隙為 3 mm 處，最大等效彈性應(yīng)變達(dá)到了0.549 37 mm，相對(duì)于 3 mm 的壁厚來講影響比較大，最大等效應(yīng)力更是達(dá)到了 102 MPa。
綜上，對(duì)于 6061 鋁件的液壓閥塊來講，從應(yīng)變的角度來看，5 mm 和 7 mm 間隙的變形量比較小，能夠滿足使用條件，但從最大等效應(yīng)力上來看，即使是 7mm 間隙的最大應(yīng)力都已達(dá)到 56.6 MPa，當(dāng)安全系數(shù)取 1.8 時(shí)，需要 101.88 MPa 的強(qiáng)度才能滿足使用條件，這一強(qiáng)度遠(yuǎn)大于 6061 鋁件屈服強(qiáng)度 55.2 MPa，所以鋁件無論在多大的壁厚條件下都不能用到如此高的工作壓力。對(duì)于 45# 鋼的液壓閥塊來講，從應(yīng)變的角度來看，5 mm 和 7 mm 間隙的變形量比較小（同時(shí)考慮到液壓閥塊機(jī)械加工過程中的工藝性），能夠滿足使用條件，最小壁厚間隙為 3 mm 處最大等效應(yīng)力為 102 MPa，考慮到 1.8 的安全系數(shù)，所需強(qiáng)度為183.6 MPa，小于 45# 鋼的屈服強(qiáng)度 355 MPa，所以45# 鋼在壁厚大于等于 5 mm 的條件下可以用到 42MPa 的使用壓力。
展開 施加鋁筒外壁溫度邊界條件
nsel,all
physics,write,thermal ! 寫溫度場(chǎng)物理分析文件
! 第二步：進(jìn)行結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析的前處理并寫結(jié)構(gòu)場(chǎng)物理分析文件
physics,clear ! 清空物理環(huán)境數(shù)據(jù)
ddel,all ! 刪除溫度場(chǎng)溫度載荷
et,1,82,,,1 ! 選擇結(jié)構(gòu)分析單元
mp,ex,1,30e6 ! 定義鋼筒結(jié)構(gòu)場(chǎng)材料屬性
mp,alpx,1,.65e-5
mp,nuxy,1,.3
mp,ex,2,10.6e6 ! 定義鋁筒結(jié)構(gòu)場(chǎng)材料屬性
mp,alpx,2,1.35e-5
mp,nuxy,2,.33
nsel,s,loc,y,.05 ! 選擇兩厚壁筒頂面節(jié)點(diǎn)
cp,1,uy,all ! 耦合節(jié)點(diǎn)Y向自由度
nsel,s,loc,x,.1875 ! 選擇鋼筒內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)
nsel,a,loc,x,0.6
cp,2,ux,all ! 耦合節(jié)點(diǎn)X向自由度
nsel,s,loc,y,0 ! 選擇兩厚壁筒底面節(jié)點(diǎn)
d,all,uy,0 ! 施加Y向位移約束
nsel,all
tref,70 ! 定義參考溫度
physics,write,struct ! 寫結(jié)構(gòu)場(chǎng)物理分析文件
save ! 存盤
finish
! 第三步：讀取溫度場(chǎng)物理分析文件進(jìn)行求解和后處理
/solu
physics,read,thermal !
展開 Discovery Live可以順利計(jì)算內(nèi)外流場(chǎng)，但設(shè)置旋轉(zhuǎn)壁面后就無法計(jì)算了，這是什么原因呢？顯卡8G，GPU也僅占用了30%，（這就很難受了，只能計(jì)算設(shè)定好進(jìn)出口的流場(chǎng)，而通過旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生的流場(chǎng)就計(jì)算不了，那設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壁面干嘛的？無法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械流場(chǎng)仿真嗎？）
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ansys壁厚計(jì)算的最新內(nèi)容
摘 要：在液壓閥塊設(shè)計(jì)過程中，如何確定液壓閥塊內(nèi)部孔道間的壁厚是一個(gè)很關(guān)鍵的問題，壁厚過大則液壓閥塊整體尺寸偏大，材料浪費(fèi)且不經(jīng)濟(jì)，壁厚過小則存在擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，存在一定的安全隱患。為得出不同材質(zhì)的液壓閥塊在極限壓力 42 MPa 的條件下的極限壁厚，針對(duì)液壓閥塊內(nèi)部進(jìn)行有限元分析，通過 PROE 三維繪圖軟件進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入有限元分析軟件 ANSYS Workbench 中，通過對(duì)液壓閥塊和內(nèi)部管路賦予一定的材料屬性和施加一定的邊界條件
Discovery Live可以順利計(jì)算內(nèi)外流場(chǎng)，但設(shè)置旋轉(zhuǎn)壁面后就無法計(jì)算了，這是什么原因呢？顯卡8G，GPU也僅占用了30%，（這就很難受了，只能計(jì)算設(shè)定好進(jìn)出口的流場(chǎng)，而通過旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生的流場(chǎng)就計(jì)算不了，那設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壁面干嘛的？無法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)機(jī)械流場(chǎng)仿真嗎？）
在傳統(tǒng)的壓力容器設(shè)計(jì)中，為了保證容器的安全性，設(shè)計(jì)者總是盡量增大容器的壁厚，以增加容器的承壓能力。隨著分析設(shè)計(jì)概念的提出，設(shè)計(jì)者越來越多地對(duì)壓力容器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過這一過程，可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)剛度，滿足技術(shù)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)輕量化的目標(biāo)。本例通過壓力容器壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終在滿足給定剛度和強(qiáng)度要求下，使容器的重量達(dá)到最小。
問題描述
現(xiàn)有一處于設(shè)計(jì)狀態(tài)的反應(yīng)器如下圖所示，反應(yīng)器筒體壁厚均均，無尖角，
前言：
間接耦合分析與直接耦合分析的一個(gè)很大的區(qū)別是單元選擇問題。間接耦合分析時(shí)針對(duì)單一的物理場(chǎng)選取合適的單元即可，在另一個(gè)物理場(chǎng)情況下更改單元類型即可。而直接耦合分析選擇單元時(shí)需要保證該單元具有所需的所有自由度。ANSYS幫助文檔中可以查到很多專門用于直接耦合分析的耦合單元。
熱結(jié)構(gòu)間接耦合分析主要包括如下幾個(gè)步驟：
第一步：進(jìn)行溫度場(chǎng)分析的前處理并寫溫度場(chǎng)物理分析文件
第二步：進(jìn)行結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析的前處理并寫結(jié)構(gòu)場(chǎng)物理分析文件
厚壁管的自增強(qiáng)技術(shù)有限元數(shù)值計(jì)算
1 概述
自增強(qiáng)是利用材料自身的彈塑性變形產(chǎn)生預(yù)加應(yīng)力，從而增強(qiáng)承載能力的方法，自增強(qiáng)技術(shù)在很多方面都有應(yīng)用，通常炮管、壓力容器等，壁厚較大的容易尤其應(yīng)用較多，這些構(gòu)件承載壓力一般也很大。
常用的自增強(qiáng)處理的過程是在管子的內(nèi)壁上施加足夠大的徑向力，使材料發(fā)生一定的塑性變形，達(dá)到這一過程多采用靜壓法，也即施加較大的壓力，使材料超過其屈服極限。
本次以一個(gè)厚壁管子的自增強(qiáng)作介紹
