有限單元法--賀偉--帶預(yù)緊力的螺栓法蘭管道ansys建模分析

1、帶預(yù)緊力的螺栓法蘭管道ansys建模分析 學(xué)生：賀偉（2014282100085）一、問題表述螺栓法蘭結(jié)構(gòu)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、可操作性好等特點(diǎn)，因此在工業(yè)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。典型應(yīng)用如航天對(duì)接結(jié)構(gòu)、石油化工設(shè)備中密閉管道的連接、風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸結(jié)構(gòu)以及核反應(yīng)堆冷卻泵轉(zhuǎn)子組件的軸向連接。螺栓法蘭連接雖然可以為結(jié)構(gòu)提供一定的連接剛度與強(qiáng)度，但是，由于幾何上的突變和結(jié)構(gòu)對(duì)連續(xù)性的破壞，連接部位在外力的作用下會(huì)產(chǎn)生局部變形過大、應(yīng)力與變形分布不均勻等現(xiàn)象。因此，要求采用整體模型分析螺栓管道的受力、變形、開裂等情況。已知幾何外形和尺寸如下圖所示，用ansys進(jìn)行分析。圖典型法蘭連接結(jié)構(gòu)二、參數(shù)說明材料性能：結(jié)構(gòu)由兩

2、段相對(duì)連接面完全對(duì)稱的柱殼結(jié)構(gòu)組成，柱殼材料為Q235結(jié)構(gòu)鋼（彈性模量E=200Gpa，泊松比u=0.28，密度）；兩段柱殼之間由外翻的L形法蘭和4顆M10螺栓進(jìn)行連接，螺栓材料為S45合金鋼（彈性模量E=210Gpa，泊松比u=0.27，密度）。螺栓之間使用預(yù)緊力為10KN，將法蘭管道對(duì)接好，中間無墊片，法蘭管道的兩端使用固定的方式固定在夾具上，然后進(jìn)行分析螺栓管道的受力、變形、開裂等情況。三、有限元模型建模（1）進(jìn)入ANSYS，進(jìn)入設(shè)置工程名為falan。（2）定義分析類型為結(jié)構(gòu)分析。Main Menu>Preferences，在彈出的對(duì)話框中選擇structural，單擊OK按鈕。

3、（3）定義單元類型。路徑：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete。執(zhí)行路徑，在彈出的Element Type對(duì)話框中單擊Add按鈕，在新的Library of Element Types對(duì)話框中選擇SOLID185單元為1號(hào)單元,用于整個(gè)模型，方便建模分析，不區(qū)分法蘭管道和螺栓的材料區(qū)別，直接進(jìn)行分析。圖2 定義單元種類（4） 定義材料屬性。 路徑1：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models路徑2：Material Models

4、Available>Structural>Linear>Elastic>Isotropic圖3 彈性模量和泊松比路徑3：Material Models Available>Structural>Density圖4 密度執(zhí)行該路徑后，在Define Material Modal Behavior對(duì)話框的菜單欄中選擇Material，并單擊New Model，增加一個(gè)材料模型。對(duì)于將螺栓材料的性質(zhì)也可以加入到里面進(jìn)行建模。（5）建立幾何模型。路徑：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Volumes

5、>Cyinder>By Dimension。圖5 集合建模操作圖6 建立圓管道圖7 管道建立的ansys模型 同樣的操作，進(jìn)行法蘭盤面、螺栓圓柱體、螺帽和螺母圓環(huán)的建模。我們將法蘭管道的整個(gè)幾何模型進(jìn)行建立，建立的圖形如下所示。圖8 帶螺栓的法蘭管道模型（5） 在幾何模型上進(jìn)行布爾運(yùn)算圖9 布爾運(yùn)算操作 該操作即將管道和兩個(gè)法蘭盤面進(jìn)行Glue，形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件；一個(gè)螺栓桿Glue兩個(gè)螺栓帽組成螺栓標(biāo)準(zhǔn)件。同理，本次建模包含兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的法蘭管道標(biāo)準(zhǔn)件；通過四個(gè)螺栓標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行連接在一起。這就是本次建模分析的對(duì)象。 （6）改變顯示模型。路徑1：Utility Menu>PlotCtr

6、ls>Pan-Zoom-Rotate。執(zhí)行該路徑后，單擊ISO按鈕，以正等側(cè)顯示幾何模型。（7）進(jìn)行網(wǎng)格劃分先進(jìn)行對(duì)接的法蘭盤網(wǎng)格劃分，按照如下的方式進(jìn)行操作，選擇Meshing>MeshTool進(jìn)行智能劃分，選擇Lines選項(xiàng)Set進(jìn)行線條的劃分設(shè)置，設(shè)置份數(shù)：法蘭盤圓周上30份，厚度方向10mm厚盤面劃分4段，5mm厚劃分2段，管道長(zhǎng)度方向劃分40段，螺栓上面進(jìn)行對(duì)等劃分：螺帽外環(huán)上劃分3段，螺桿和法蘭盤接觸的環(huán)面上劃分4段，采用sweep方式進(jìn)行劃分，劃分的形式如下圖所示。圖10 網(wǎng)格劃分控制方式劃分的網(wǎng)格順序?yàn)閷?duì)接的法蘭盤，管道，另一邊法蘭盤，最后是四個(gè)螺栓?；シ鄢鰜淼慕Y(jié)果如下圖所示。圖11 模型整體網(wǎng)格劃分圖12 法蘭盤對(duì)接細(xì)部網(wǎng)格劃分（8） 考慮接觸由于兩個(gè)法蘭盤面之間是兩個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)件，通過螺栓進(jìn)行預(yù)緊對(duì)接在一起進(jìn)行受力，所以在法蘭盤面和螺栓接觸的環(huán)面上需要進(jìn)行非線性接觸的考慮，我們考慮的接觸之間的摩擦系數(shù)為0.2。圖13 接觸的操作方式圖14 進(jìn)行目標(biāo)面的選擇圖15 輸入接觸之間的摩擦系數(shù)0.2（9） 加載求解圖16 求解之前定義分析類型圖17 在兩個(gè)法蘭盤面進(jìn)行位移約束為0的輸入圖18 在螺栓和對(duì)接的環(huán)面上輸入模擬的預(yù)緊力（10） 進(jìn)入到Solve>Current LS進(jìn)行求解圖19 整體加載的方式4、 成果整理采用整體模型分析螺栓管道的