船用卡箍連接器基于有限元的分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u31268船用卡箍連接器基于有限元的分析案例 134051.1接觸分析 174341.1.1接觸行為選擇 1225521.1.2指定接觸面和目標(biāo)面 3220931.1.3接觸算法 4171531.1.4網(wǎng)格劃分 598821.1.5建立初始密封狀態(tài)后的接觸壓力 581001.1.6工作狀態(tài)時(shí)的接觸壓力 697801.2密封環(huán)的靜力學(xué)分析 6260871.2.1網(wǎng)格劃分 6295291.2.2建立初始密封狀態(tài)后密封環(huán)的應(yīng)力 6208201.2.3工作狀態(tài)時(shí)密封環(huán)的應(yīng)變 783501.3分析結(jié)果總結(jié) 7有限元分析（FiniteElementAnalysis）是利用數(shù)學(xué)近似計(jì)算的方法對真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，利用數(shù)量有限、較簡單且相互之間有關(guān)聯(lián)的元素去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)，從而獲得近似于真實(shí)系統(tǒng)的模擬結(jié)果。1.1接觸分析接觸分析中，接觸行為的選擇直接影響到選用的算法及其相關(guān)參數(shù)，對接觸分析的最終結(jié)果有著決定性影響。1.1.1接觸行為選擇1、標(biāo)準(zhǔn)接觸行為：包括法向接觸閉合以及分開行為，同時(shí)考慮粘著摩擦和滑動(dòng)摩擦。如圖1.1中，就是典型的標(biāo)準(zhǔn)接觸行為。圖圖1.1標(biāo)準(zhǔn)接觸行為圖1.1中，擬設(shè)圓弧AD是一段剛性靠模，AC是一段柔性鋼帶，兩者在A端固定，如圖1.1（1）所示。施加以力F，開始時(shí)，鋼帶AC與靠模AD在A點(diǎn)接觸，如圖1.1（2）所示。鋼帶AC將彎曲，逐漸與剛性靠模接觸并纏繞到剛性靠模AD上，如圖1.1（3）所示。當(dāng)外力撤掉時(shí)，鋼帶AC將在自身彈力的作用下恢復(fù)初始狀態(tài)，則會(huì)使原來貼合的部分重新分開，如圖1.1（4）所示。由此可見典型的標(biāo)準(zhǔn)接觸行為包含了接觸分開狀態(tài)→接觸閉合狀態(tài)→接觸分開狀態(tài)。并且當(dāng)柔性鋼帶AC纏繞于剛性靠模AD時(shí)，同時(shí)存在沿剛性靠模AD的圓弧法線方向的正壓力及沿剛性靠模AD的圓弧切線方向的摩擦力。2、粗糙接觸行為粗糙接觸行為包括法向接觸閉合和分開行為，但不存在滑動(dòng)。粗糙接觸行為默認(rèn)所有參與接觸表面的摩擦系數(shù)無限大，所以無法產(chǎn)生相對滑動(dòng)。兩接觸面間，除了存在正壓力外，還有切向摩擦力。3、綁定接觸行為綁定接觸行為指接觸關(guān)系一旦建立，則目標(biāo)面與接觸面就不可以再分開，即被假定粘接在一起。4、綁定接觸行為（始終）任何初始時(shí)在許可接觸范圍內(nèi)探測到的接觸點(diǎn)及即將進(jìn)入接觸的點(diǎn)在后續(xù)分析中將被綁定在一起，主要在組裝分析中將兩種不同網(wǎng)格的組件綁定在一起進(jìn)行后續(xù)分析。5、綁定接觸行為（初始接觸）處理時(shí)綁定對于初始狀態(tài)就接觸的面，對于初始狀態(tài)未接觸的面則繼續(xù)保持分開。常用于通過焊接連接的兩個(gè)物體上，焊接部分始終保持連接狀態(tài)，未焊接部分始終保持分離狀態(tài)。6、不分開型不分開型接觸行為指接觸關(guān)系一旦建立，目標(biāo)面及接觸面便被約束在一起了，但仍然允許目標(biāo)面及接觸面之間有滑動(dòng)。7、不分開型（始終）任何在初始狀態(tài)時(shí)在允許容差范圍內(nèi)探測到的接觸點(diǎn)或者即將進(jìn)入接觸的點(diǎn)在后續(xù)分析中將沿法向被約束在一起，但仍然允許目標(biāo)面及接觸面之間有滑動(dòng)。本次設(shè)計(jì)過程選用標(biāo)準(zhǔn)接觸行為。1.1.2指定接觸面和目標(biāo)面在ANSYS中，接觸分為剛—柔接觸和柔—柔接觸兩種形式。其中大部分金屬成型屬于剛—柔接觸；花鍵軸過盈配合和螺栓連接則屬于柔—柔接觸。ANSYS目前支持三種接觸方式，分別是點(diǎn)—點(diǎn)接觸、點(diǎn)—面接觸、面—面接觸。在ANSYS中，接觸面是通過一組離散的點(diǎn)（稱為高斯點(diǎn)）來定義，而目標(biāo)面則為連續(xù)面。模擬計(jì)算時(shí)點(diǎn)與點(diǎn)之間存在空隙，與連續(xù)面會(huì)產(chǎn)生穿透，所以指定接觸面和目標(biāo)面是需要遵循相應(yīng)的原則。接觸面及目標(biāo)面如圖1.2所示。圖1.圖1.2接觸面及目標(biāo)面示意圖1、剛—柔接觸時(shí)，剛性體應(yīng)作為目標(biāo)面，柔性體應(yīng)作為接觸面。2、柔—柔接觸時(shí)，網(wǎng)格較粗的柔性體應(yīng)作為目標(biāo)面，網(wǎng)格較細(xì)的柔性體應(yīng)作為接觸面。3、凸面與平面或凹面建立接觸時(shí)，平面或凹面應(yīng)作為目標(biāo)面，凸面應(yīng)作為接觸面。4、兩個(gè)硬度不同的面接觸時(shí)，較硬的面應(yīng)作為目標(biāo)面，較軟的面應(yīng)作為接觸面。5、高階單元面與低階單元面接觸時(shí)，低階面應(yīng)作為目標(biāo)面，高階面應(yīng)作為接觸面。6、大小差別較大的面接觸時(shí)，大的面應(yīng)作為目標(biāo)面，小的面應(yīng)作為接觸面。7、相對靜止的面應(yīng)作為目標(biāo)面，相對運(yùn)動(dòng)的面應(yīng)作為接觸面。本次分析中選定密封環(huán)的斜面為接觸面，法蘭的斜面為目標(biāo)面。1.1.3接觸算法1、罰函數(shù)法：由于實(shí)際接觸時(shí)兩個(gè)面并不會(huì)發(fā)生穿透，因此在ANSYS模擬分析時(shí)，需要在接觸面與目標(biāo)面間建立一種關(guān)系，從而防止面與面之間發(fā)生穿透。當(dāng)ANSYS防止面與面之間產(chǎn)生穿透時(shí)，稱為強(qiáng)制接觸協(xié)調(diào)。罰函數(shù)接觸算法的方法是在目標(biāo)面與接觸面之間用一個(gè)接觸彈簧來建立關(guān)系，接觸彈簧的剛度稱為懲罰參數(shù)，通俗來講就是接觸剛度。罰函數(shù)原理示意圖如圖1.3所示。圖1.圖1.3罰函數(shù)算法原理示意圖2、接觸法向和切向的純拉格朗日乘子法拉格朗日乘子法防止產(chǎn)生穿透的方法是增加一個(gè)自由度（接觸壓力）。FTOLN是拉格朗日乘子法允許的最大穿透，若穿透大于FTOLN，即使不平衡力和位移增量已經(jīng)滿足了收斂準(zhǔn)則，總的求解結(jié)果仍然會(huì)被當(dāng)作不收斂處理。ANSYS對于容差的默認(rèn)值為0.1，若容差值過小，則會(huì)增加迭代次數(shù)甚至使計(jì)算結(jié)果不收斂。3、增廣拉格朗日法增廣拉格朗日法是將罰函數(shù)與拉格朗日乘子法相結(jié)合后形成的強(qiáng)制接觸協(xié)調(diào)。迭代開始時(shí)，接觸協(xié)調(diào)根據(jù)接觸剛度而確定，達(dá)到平衡后，程序?qū)z查穿透容差。必要時(shí)，程序會(huì)增加接觸壓力，迭代繼續(xù)。本次選定增廣拉格朗日法進(jìn)行接觸分析。1.1.4網(wǎng)格劃分為了結(jié)果運(yùn)算的準(zhǔn)確性，我在分析時(shí)添加了管道的模型，并且在各個(gè)接觸面網(wǎng)格劃分時(shí)將其進(jìn)行了一定程度的加密處理，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。劃分結(jié)果如圖1.4和圖1.5所示。圖1.圖1.4網(wǎng)格劃分結(jié)果圖1.圖1.5網(wǎng)格劃分結(jié)果的剖視圖1.1.5建立初始密封狀態(tài)后的接觸壓力在建立初始密封狀態(tài)后，接觸面的壓力最大為421.54MPa。初始密封狀態(tài)接觸面壓力分析結(jié)果如圖1.6所示。圖1.圖1.6初始密封狀態(tài)接觸面的壓力示意圖1.1.6工作狀態(tài)時(shí)的接觸壓力在工作載荷以及海水壓力的作用下，密封圈的接觸壓力最大值為701.08MPa。工作狀態(tài)時(shí)的接觸壓力分析結(jié)果圖如圖1.7所示。圖1.圖1.7工作狀態(tài)時(shí)接觸面的壓力分析圖1.2密封環(huán)的靜力學(xué)分析密封環(huán)在工作狀態(tài)時(shí)既受擠壓，又受到海水及管內(nèi)壓力，密封環(huán)若會(huì)發(fā)生大幅度形變則會(huì)導(dǎo)致密封性能急劇下降，由此可見對密封圈進(jìn)行靜力學(xué)分析也非常重要。1.2.1網(wǎng)格劃分與接觸分析的網(wǎng)格劃分相同，密封環(huán)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分結(jié)果如下圖1.8所示圖1.圖1.8密封環(huán)的網(wǎng)格劃分結(jié)果1.2.2建立初始密封狀態(tài)后密封環(huán)的應(yīng)力如下圖1.9所示，在密封環(huán)初始密封狀態(tài)建立后，其最大應(yīng)力為355.09MPa圖1.9圖1.9初始密封狀態(tài)時(shí)密封環(huán)的應(yīng)力分析圖1.2.3工作狀態(tài)時(shí)密封環(huán)的應(yīng)變?nèi)缦聢D1.10所示，密封環(huán)在工作狀態(tài)時(shí)最大應(yīng)力為619