吊耳局部有限元建模技术分析

ANSYSY分析局部受力情况

SHIPENGINEERING　Vol.31Supplement2009

　船舶工程

总第31卷,2009年增刊　

吊耳局部有限元建模技术分析

肖文勇,　佘　凯

(中国舰船研究设计中心,武汉　430064)

摘　要:文章中提出了几肿简化处理方法来模拟插销与吊耳的接触.通过有限元计算结果比较,发现

提出的简化处理方法与接触算法计算结果接近,且耗时少、操作简单,可以将这些简化处理方法广泛应用于吊耳的有限元强度校核.　　关键词:吊耳;插销;接触;有限元强度

+

中图分类号:U664.43　　文献标识码:A　　文章编号:100528354(2009)Z2204

Theanalysisoffiniteelementtrunnion

XIAO(ChinaShipuhan430064,China)

Abstract:Severalsimtosimulatetheconditionofcontactbetweenaboltanda

trunnion.withhighercalculationspeed,moreconciseprocessandsimilaritycalculatedwthetraditionalcontactcalculationmethod,andcanbeextensivelyappliedinthestrengthcheckingatrunnion.

Keywords:trunnion;bolt;contact;finiteelementstrength

0　前言

触关系时,需要较高的计算机配置,且计算时间过长.为了简化有限元计算,本文提出了几种简化处理方法来模拟插销与吊耳的接触.通过计算比较,发现提出的简化处理方法和接触算法结果接近.

1　吊耳有限元计算1.1　接触算法

吊耳用于许多设备的运输与起吊,吊索通过插销固定在吊耳上.在起吊过程中,插销与吊耳孔边接触时,吊耳承压面上应力分布非常复杂.因此吊耳的设计是一项十分重要的工作,它直接关系到运输和起吊的安全.在制造、运输和安装过程中往往很容易被忽视,问题也就容易出现在吊耳上.当设备质量较小时,吊耳所承受的载荷也较小,一般无须对吊耳的强度进行核算.但对质量大的设备,则必须对吊耳的强度进行核算,以避免在起吊过程中对吊耳造成破坏.

目前对吊耳还没有规范的强度计算方法.在实际工程设计中,一般采用理论算法对吊耳的强度进行校核,主要包括以下三方面:吊耳危险截面强度校核、吊耳孔与插销接触强度校核以及吊耳与被吊件焊缝的强度校核

[1,2]

接触问题属于不定边界问题即边界条件非线性问题,即使是简单的弹性接触问题也具有非线性,其中既有由接触面积变化而产生的非线性以及由接触压力分布变化而产生的非线性,也有由摩擦作用产生的非线性.这种非线性和边界不定性的接触问题求解是一个反复迭代的过程.

对于接触问题,除了其场变量需要满足固体力学基本方程,以及相应的定解条件外,还必须满足接触面上的接触条件.接触条件主要包括两个方面:1)接触体之间在接触面上的变形协调性,不可相互侵入;

2)摩擦条件.对于接触或将要接触的两个物体,其界

.同时也经常采用有限元方法对吊耳的

强度进行校核.采用有限元计算时,最为准确的是采用接触算法来模拟插销与吊耳孔承压面的接触.该方法的优点是能很准确的模拟实际受力情况,计算结果准确可靠;缺点是接触算法设置复杂,当存在较多接

收稿日期:2009202209;修回日期:2009206211

面接触状态可以分成分离、粘结接触和滑动接触三

作者简介:肖文勇(19792),男,工程师,硕士研究生,主要从事船舶结构设计研究.

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ANSYSY分析局部受力情况

种.对于这三种情况,接触界面的位移和力的条件是各不相同的,而实际的接触状态又往往在此三种状态间相互转化,从而导致接触问题的高度非线性特点.

由于接触问题是一种高度非线性行为,需要较大的计算资源.接触问题存在两个较大的难点:1)在求解问题之前,不知道接触区域、表面之间是接触还是分开的,或是突然变化的,这要随载荷、材料、边界条件和其它因素而定;2)大多数接触问题需要计算摩擦,摩擦使问题的收敛性变得困难.

接触问题分为两种基本类型:刚体2柔体的接触、柔体2柔体的接触.在刚体2柔体的接触问题中,接触面的一个或多个被当作刚体,与它接触的变形体相比,有大得多的刚度.一般情况下,一种软材料和一种硬材料接触时,问题可以被假定为刚体2柔体的接触,许多金属成形问题归为此类接触.柔体2柔体的接触,是一种更普遍的类型,在这种情况下,是变形体,具有近似的刚度

[3]

本文研究的吊耳基本尺寸

:吊环厚度δ=50mm,吊环外径D=250mm,吊环内径

d=100mm,吊耳设计载荷

P=50t.研究对象中只存在一种接触关系:插销与吊耳孔.二者刚度相近,因此可归为柔体2柔体的接触.将插销的外表面设置为目标面,选取单元为

Targe170;吊耳孔的内表面设置为接触面,选取单元

为Conta174.摩擦系数取0.1,其余均保持默认设置.接触计算模型见图1,吊耳的Von2Mises应力见图2.　　通过提取与插销接触的吊耳节点上的节点力,绘制出接触面上节点力的分布曲线.接触面上节点受到的垂向(Y向)力的分布曲线见图3,合力的分布曲线见图4.

由图可知,Von2Mises位于°和°,接触面上节点受.由图4可60°和120°的.

.

图1　接触计算模型图

图2　吊耳Von2Mises应力

图3　垂向力的分布曲线图图4　合力的分布曲线图

1.2　垂向正弦加载算法所有节点力的合力等于吊耳的设计载荷:

n

n

假定插销与吊耳孔接触时,吊耳承压面上的节点受到垂向正弦分布力的作用.有限元计算时,在与插销接触的吊耳孔节点上施加垂向正弦分布力,用正弦函数来描述为:

F=k1sinθ

式中,k1为载荷系数;θ为接触点角度.

∑F

i=1

i

=

∑ksinθ

i

i

i=1

=P

式中,i为接触面上的节点数;P为吊耳的设计载荷,由此确定k1.

该加载曲线类似于接触算法中吊耳接触面上节点受到的垂向力的分布曲线.施加的垂向正弦分布力

—95—

ANSYSY分析局部受力情况

见图5,吊耳的Von2Mises应力见图6.由图6可知,吊耳承压面上的最大Von2Mises位于20°和160°的位置

.

图7　

径向正弦分布力作用示意图

图5　

垂向正弦分布力作用示意图

图8　吊耳Von2Mises应力(径向正弦加载算法

)

图6　吊耳Von2Mises应力(垂向正弦加载算法)

1.3　径向正弦加载算法

假定插销与吊耳孔接触时,吊耳承压面上受到径向正弦分布力的作用.有限元计算时,在与插销接触的吊耳孔面上施加径向正弦分布力,用正弦函数来描述:

p=k2sinθ　　其分布力的积分等于吊耳的设计载荷:

π

图9　

吊耳径向位移约束示意图

θ=Ppd

∫

式中,P为吊耳的设计载荷,由此确定k2.

施加的径向正弦分布力见图7,吊耳的Von2Mises应力见图8.由图8可知,吊耳承压面上的最大Von2

Mises位于30°和150°的位置.1.4　径向位移约束算法

假定插销与吊耳孔接触时,插销的刚度足够大,可认为与插销接触的吊耳承压面上的节点受到径向位移的约束.有限元计算时,在吊耳承压面上施加限制径向位移的约束,吊耳底部节点上施加合力等于吊耳设计载荷值的节点力.吊耳边界约束见图9,吊耳的Von2Mises应力见图10.由图10可知,吊耳承压面上的最大Von2Mises位于90°的位置

.

—96—

图10　吊耳Von2Mises应力(径向位移约束算法)

2　计算结果比较

通过上述计算,将四种算法的计算结果比较列于表1.从表1可以看出,相对于接触算法的计算结果,垂向正弦加载算法的计算应力稍偏大;径向正弦加载

ANSYSY分析局部受力情况

算法的计算应力稍偏小,但与接触算法计算结果的误差更小;径向位移约束算法的计算应力更偏小.垂向正弦加载算法和径向正弦加载算法的最大应力位置基本与接触算法的最大应力位置一致,而径向位移约束算法的最大应力位置与接触算法的相差较大.同时从图3、图5和图7可以看出,垂向和径向正弦加载算法的加载曲线和接触算法中吊耳接触面上节点受到的垂向力的分布曲线类似.

表1　四种算法计算结果比较表

接触算法计算结果

应力/MPa位移/mm最大应力位置

1930.10828°和152垂向正弦加载算法计算结果

2250.130

径向正弦加载算法计算结果

1700.119

径向位移约束算法计算结果与接触算法误差

163

15.5%

与接触算法误差

16.6%20.4%

与接触算法误差

11.9%10.2%

3

90°

3

20°和160°30°和150°

注:3表示此种算法不能算出吊耳的位移.

3　结论

通过上述计算比较,从工程计算角度来讲,垂向正弦加载算法更保守,更偏于安全.垂向正弦加载算法和径向正弦加载算法都是可接受的、法的计算方法.,法进行计算.

参考文献:

[1[J].船海工程,

(5:240.[.直立设备板式吊耳强度计算[J].石油化工设备,2004,33(4):49250.[3]王富耻,张朝晖.ANSYS10.0有限元分析理论与工程

应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

(上接第70页)

计者可根据经验和实际情况设计平衡面积,以适应实际需要.

3　结束语

船用高压空气截止阀对船用高压空气系统来说是基础原件,决定着高压空气系统的使用操作性、可靠性、维修性.随着高压密封技术的发展和提高,新型高压空气截止阀在阀门设计工作者的不断努力工作下,其技术也不断提高.如上海船舶设备研究所设计研制了系列40MPa高压空气截止阀产品,可用于石油、化工、科研试验、国防工业的高压空气系统中,可为船舶高压空气系统提供有力保障.

图8　平衡式密封阀头

参考文献:

针对要求快速开关的高压空气截止阀,操作时间

长可采用先导式平衡结构,安装大推力电磁铁实现阀门的控制,目前上海船舶设备研究所研制的一型DN32,PN40MPa高压空气电磁阀已在试验中显现了其优越性能,开关动作迅速、密封可靠.具有远程控制、开关位置显示,便于实现集中控制,是将来船用40MPa高压空气系统的理想产品.2.4　材料

船用高压空气截止阀的阀体及零部件的材料除了对强度、硬度等要求有较好的力学性能外,还要具有耐海洋性气候、甚至耐海水腐蚀等综合性能.目前高压空气截止阀可选用的材料有双相不锈钢、沉淀型不锈钢、06Cr16Ni5Mo、HNi5623、QAl102321.5、TC4、TC11、铍青铜等.

[1]陆培文.实用阀门设计手册[M].北京:机械工业出版

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1mwj.html