有限单元法--贺伟--带预紧力的螺栓法兰管道ansys建模分析.doc

带预紧力的螺栓法兰管道ansys建模分析 学生：贺伟（2014282100085） 一、问题表述 螺栓法兰结构具有构造简单、可操作性好等特点，因此在工业结构中应用广泛。典型应用如航天对接结构、石油化工设备中密闭管道的连接、风力发电机主轴结构以及核反应堆冷却泵转子组件的轴向连接。 螺栓法兰连接虽然可以为结构提供一定的连接刚度与强度，但是，由于几何上的突变和结构对连续性的破坏，连接部位在外力的作用下会产生局部变形过大、应力与变形分布不均匀等现象。因此，要求采用整体模型分析螺栓管道的受力、变形、开裂等情况。已知几何外形和尺寸如下图所示，用ansys进行分析。 图１典型法兰连接结构 二、参数说明 材料性能：结构由两段相对连接面完全对称的柱壳结构组成，柱壳材料为Q235结构钢（弹性模量E=200Gpa，泊松比u=0.28，密度）；两段柱壳之间由外翻的L形法兰和4颗M10螺栓进行连接，螺栓材料为S45合金钢（弹性模量E=210Gpa，泊松比u=0.27，密度）。 螺栓之间使用预紧力为10KN，将法兰管道对接好，中间无垫片，法兰管道的两端使用固定的方式固定在夹具上，然后进行分析螺栓管道的受力、变形、开裂等情况。 三、有限元模型建模 （1）进入ANSYS，进入设置工程名为falan。 （2）定义分析类型为结构分析。Main MenuPreferences，在弹出的对话框中选择structural，单击OK按钮。 （3）定义单元类型。 路径：Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete。执行路径，在弹出的Element Type对话框中单击Add按钮，在新的Library of Element Types对话框中选择SOLID185单元为1号单元,用于整个模型，方便建模分析，不区分法兰管道和螺栓的材料区别，直接进行分析。 图2 定义单元种类 定义材料属性。 路径1：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models 路径2：Material Models AvailableStructuralLinearElasticIsotropic 图3 弹性模量和泊松比 路径3：Material Models AvailableStructuralDensity 图4 密度 执行该路径后，在Define Material Modal Behavior对话框的菜单栏中选择Material，并单击New Model，增加一个材料模型。对于将螺栓材料的性质也可以加入到里面进行建模。 （5）建立几何模型。 路径：Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesCyinderBy Dimension。 图5 集合建模操作 图6 建立圆管道 图7 管道建立的ansys模型 同样的操作，进行法兰盘面、螺栓圆柱体、螺帽和螺母圆环的建模。我们将法兰管道的整个几何模型进行建立，建立的图形如下所示。 图8 带螺栓的法兰管道模型 在几何模型上进行布尔运算 图9 布尔运算操作 该操作即将管道和两个法兰盘面进行Glue，形成一个标准件；一个螺栓杆Glue两个螺栓帽组成螺栓标准件。同理，本次建模包含两个标准的法兰管道标准件；通过四个螺栓标准件进行连接在一起。这就是本次建模分析的对象。 （6）改变显示模型。 路径1：Utility MenuPlotCtrlsPan-Zoom-Rotate。 执行该路径后，单击ISO按钮，以正等侧显示几何模型。 （7）进行网格划分 先进行对接的法兰盘网格划分，按照如下的方式进行操作，选择MeshingMeshTool进行智能划分，选择Lines选项Set进行线条的划分设置，设置份数：法兰盘圆周上30份，厚度方向10mm厚盘面划分4段，5mm厚划分2段，管道长度方向划分40段，螺栓上面进行对等划分：螺帽外环上划分3段，螺杆和法兰盘接触的环面上划分4段，采用sweep方式进行划分，划分的形式如下图所示。 图10 网格划分控制方式 划分的网格顺序为对接的法兰盘，管道，另一边法兰盘，最后是四个螺栓。互粉出来的结果如下图所示。 图11 模型整体网格划分 图12 法兰盘对接细部网格划分 考虑接触 由于两个法兰盘面之间是两个不同的标准件，通过螺栓进行预紧对接在一起进行受力，所以在法兰盘面和螺栓接触的环面上需要进行非线性接触的考虑，我们考虑的接触之间的摩擦系数为0.2。 图13 接触的操作方式 图14 进行目标面的选择 图15 输入接触之间的摩擦系数0.2 加载求解 图16 求解之前定义分析类型 图17 在