搜索專業(yè)連載文章 | ANSYS中索單元的二次開發(fā) Part5-鋼棒螺紋接頭的接觸有限元應(yīng)用探討
2017-03-10 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
編者按
通過幾篇連載文章,和朋友們一起分享了ANSYS中二次開發(fā)的一些過程及心得,作為這一系列的收尾,筆者在下文中和大家一起分享下鋼棒螺紋接頭的接觸有限元應(yīng)用,這是索單元二次開發(fā)中雖然邊緣但比較有探索意義的分析。
接觸有限元分析方法探討
很長一段時間以來,對于螺紋的設(shè)計方法并不完善,通常使用螺牙接觸強(qiáng)度來作為判斷依據(jù),并使用安全系數(shù)來考慮可靠度要求,并配合實(shí)驗數(shù)據(jù)對其進(jìn)行校核和驗證,這種方法對于應(yīng)力在不同螺牙絲扣的具體分布并不能給出確定結(jié)果,并且對于薄弱點(diǎn)也較難判斷,而隨著計算機(jī)硬件及分析方法的發(fā)展,接觸有限元方法對于荷載、應(yīng)力在整個螺紋連接長度內(nèi)的分布有著很好的分析結(jié)果,能有助于進(jìn)一步了解螺牙的實(shí)際工作狀態(tài),并輔助用來進(jìn)行螺紋連接的設(shè)計。
一些文獻(xiàn)中指出,在不考慮螺牙影響的情況下,調(diào)節(jié)套筒最大應(yīng)力截面在調(diào)節(jié)套筒中間1/3處,然后向兩端線性下降。但由于套筒同鋼棒是通過螺紋連接的,最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在螺牙絲扣上,故其連接失效通常是由螺紋失效引起的,所以對套筒同鋼棒螺紋連接性能的研究也是很有必要的。
另外也有學(xué)者指出,套筒同鋼棒螺紋接頭連接實(shí)質(zhì)上是接觸性質(zhì)的。有研究者使用了平面接觸單元對石油管道用套筒的螺紋連接性能進(jìn)行了研究分析,分析過程使用了點(diǎn)─點(diǎn)接觸單元,實(shí)際上是將三維問題簡化為平面問題,這種方法對計算機(jī)的要求不高,不需要很大的磁盤空間和CPU時間,也能得到比較好的結(jié)果,對于套筒同螺紋的連接性能分析,也可以使用類似的方法進(jìn)行。隨著計算機(jī)硬件的發(fā)展,運(yùn)用實(shí)體單元對這一問題進(jìn)行研究成為可能,在接觸分析中使用面─面的接觸,這種方法可以更好地幫助我們對螺紋的受力情況有更深入的了解,與點(diǎn)─點(diǎn)接觸單元相比,面─面接觸有更好的接觸結(jié)果,尤其是可以求得螺牙應(yīng)力分布,便于設(shè)計者了解不同部位螺牙的受力狀態(tài);同時,對于接觸面法向切向的定義可以由程序自動計算,不需要象對點(diǎn)─點(diǎn)接觸單元一樣,要根據(jù)不同部位的情況來手工定義;而且,面─面接觸能很好地模擬曲線面,可以用簡單的幾何形狀例如圓、拋物線、球模擬曲面,更復(fù)雜的剛體形狀也能使用前處理技巧來建模。
調(diào)節(jié)套筒與鋼棒連接所承受的拉伸載荷是通過其上的螺紋來傳遞的,調(diào)節(jié)套筒及鋼棒的螺紋由一組圓錐螺旋面所構(gòu)成,這給單元自動剖分和接觸節(jié)點(diǎn)配對帶來很大困難,而且內(nèi)、外螺紋面的接觸區(qū)域狹長,剖分后接觸的節(jié)點(diǎn)對數(shù)量非常大,接觸迭代計算所需存貯空間和機(jī)時都很大,不利于工程應(yīng)用。以往在從事圓柱螺紋齒面的接觸分析時,一般都使用簡化模型,其中以軸對稱為最多,而且解的有效性和合理性得到了工程界的普遍接受,這樣可極大降低對計算機(jī)的要求,提高求解速度。
接觸有限元原理
基本方程的建立
對于由套筒與鋼棒組成的接觸體系,將其看成兩個獨(dú)立的個體,按有限元的要求離散成若干單元,根據(jù)虛功原理,對套筒和鋼棒分別在整體坐標(biāo)系下建立剛度方程:
(4-1)
式中
、
為接觸體的剛度矩陣;
、
為待求的節(jié)點(diǎn)位移向量;
、
為已知的節(jié)點(diǎn)外力向量;
、
為未知的接觸節(jié)點(diǎn)接觸力向量;下標(biāo)a代表套筒,b代表鋼棒。
接觸方程
(4-2)
式中:
為接觸內(nèi)力的柔度陣,可通過僅在內(nèi)、外螺紋面接觸點(diǎn)的每個自由度上分別作用一對單位力求解方程(4-1)而獲得(記作
),并可根據(jù)接觸狀態(tài)對其相應(yīng)元素進(jìn)行修改(記作);R為接觸內(nèi)力向量;
為外載在接觸節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生的相對間距;
為接觸節(jié)點(diǎn)的初始間距向量;
是為消除的奇異性而引入的附加位移約束;
為的影響系數(shù)矩陣;
為作用在接觸體上外力的和向量;Q為接觸內(nèi)力R與整體平衡的系數(shù)矩陣。通過解方程(4-2)即可求得R和,將它們代入方程 (4-3 )可求得接觸節(jié)點(diǎn)對的相對間距S:
(4-3)
根據(jù) (4-2)、(4-3)兩式求得R、S后,對接觸狀態(tài)進(jìn)行判定調(diào)整,并重復(fù)以上求解過程,直到接觸狀態(tài)與判定條件一致為止。
算例分析及結(jié)論
取馬可洛460系列中鋼棒直徑97mm的一種型號進(jìn)行了計算,其螺紋為M100×6,調(diào)節(jié)套筒尺寸取相對應(yīng)的型號,其ANSYS有限元分析模型及網(wǎng)格如下圖所示,采用 Tet187的10節(jié)點(diǎn)單元。內(nèi)、外螺紋旋合后的嚙合螺紋扣數(shù)為21,固定的軸向位移邊界條件施加在鋼棒中心對稱面上,均勻分布的軸向拉力施加于鋼棒軸截面上,調(diào)節(jié)套筒及鋼棒的彈性模量取 2.05×105MPa,泊松比取 0.3,摩擦系數(shù)取0.2[55],軸向載荷取鋼棒的屈服荷載460N/mm2。調(diào)節(jié)套筒螺紋的螺旋升角很小,同時為了簡化模型,不考慮螺旋升角對載荷沿螺牙分布的影響。螺牙為梯形,但在模型建立時,試算時發(fā)現(xiàn)是否切割螺牙齒端對螺牙應(yīng)力影響不大,而且若切割的話在劃分網(wǎng)格時更復(fù)雜且形狀很差,故在后面分析中并未切割。調(diào)節(jié)套筒所承受的載荷為軸向拉伸,呈對稱分布,在進(jìn)行有限元接觸分析時可使用四分之一對稱模型進(jìn)行。在使用Ansys進(jìn)行分析的過程中,使用面─面的接觸單元,用Targe170來模擬3D目標(biāo)面,用Conta174來模擬接觸面。一個目標(biāo)單元和一個接單元叫作一個“接觸對”程序,并通過一個共享的實(shí)常數(shù)號來識別“接觸對”。
從下圖結(jié)果中發(fā)現(xiàn),使用接觸單元進(jìn)行螺紋連接性能的分析,與認(rèn)為螺紋共同變形的計算結(jié)果有很大的差異,共同變形這一模型除了個別螺牙應(yīng)力異常的大外,載荷在其他螺牙上的分布很平均,這與其同變形的假設(shè)是吻合的;而接觸單元模型能更好地反映實(shí)際工作狀況,荷載在各螺牙上的分布是不均勻的,兩端螺牙承擔(dān)的荷載要大,越中間的螺牙承擔(dān)的荷載越少。同時,在承受軸向荷載情況下,對于一個螺牙,兩個面的受力是不均勻的,其承載側(cè)面上的受力增加,導(dǎo)向側(cè)面的受力減少,這增加了軸向載荷分布的不均勻性,導(dǎo)致接觸模型計算出的大部分螺牙應(yīng)力大于共同變形的模型。由此可見,用接觸模型來模擬套筒與鋼棒螺紋接頭的連接性能有更好的準(zhǔn)確性。
相關(guān)標(biāo)簽搜索：專業(yè)連載文章 | ANSYS中索單元的二次開發(fā) Part5-鋼棒螺紋接頭的接觸有限元應(yīng)用探討 Ansys有限元培訓(xùn) Ansys workbench培訓(xùn) ansys視頻教程 ansys workbench教程 ansys APDL經(jīng)典教程 ansys資料下載 ansys技術(shù)咨詢 ansys基礎(chǔ)知識 ansys代做 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Abaqus培訓(xùn)
