复杂结构数值模拟的精细分析
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摘要:针对用户对模型数值模拟要求越来越高的问题,对于用户关心的区域(局部复杂结构区域),采取足够细的网格来得到满意的结果,对于这些区域之外的部分,则采取密度适中的网格来处理. 以连杆螺栓啮合区域的精细分析为例,结合ANSYS子模型技术的功能特点,进行复杂结构数值模拟的精细分析. 结果表明该技术为复杂结构中重点关注区域的应力精确分析提供1种有效方法.
关键词:数值模拟; 子模型; 复杂结构; 精细分析; ANSYS
中图分类号:U664.121;TB115文献标志码:A
Accurate analysis of numerical simulation
on complex structures
TAO Jinping1, QIN Qin2
(1. Shanghai branch, PERA Tech. (Beijing) Co., Ltd., Shanghai 200120, China;
2. School of Electronic & Electrical Eng., Shanghai Second Polytechnic Univ., Shanghai 201209, China)
Abstract: With the higher requirements on model simulation, the mesh is refined in the concerned region (local complex area region) to get satisfied result, while the moderate density meshes are used for the other regions. Taking the accurate analysis on the joggling region of a connecting rod bolt as an example, the accurate analysis of numerical simulation on complex structures is done combing with the functions and features of ANSYS submodel technology. It indicates that the technology provide an effective method for the accurate stress analysis on the concerned regions of complex structures.
Key words: numerical simulation; submodel; complex model; accurate analysis; ANSYS
收稿日期:2009-07-09修回日期:2008-01-16
作者简介: 陶津平(1977―),男,天津人,博士,研究方向为计算机辅助仿真技术,(E-mail);
秦琴(1978―),女,辽宁沈阳人,博士,研究方向为模式识别和计算机辅助仿真技术,(E-mail)
0引言
在产品研发过程中,随着对模型复杂度、分析精度等的要求越来越高,在有限元分析中常常会遇到这样的问题:对于用户关心的区域,如局部复杂结构区域,需要足够细的网格才能得到满意的结果,而对于这些区域之外的部分,网格密度适中即可,见图1(a). 目前对复杂结构问题的处理主要可以采取两种办法:(1)建模时就考虑关心区域的复杂结构,并用较细的网格划分整个模型,然后进行分析;(2)首次分析时简化关心区域的复杂结构,第2次分析时,单独建立关心区域的模型,还原之前省略的复杂结构并细化该区域的网格,对其分析. 该方法即为子模型技术,见图1(b).[1]显而易见,方法(1)的优点是通过较细的整体模型网格求解从而可获得整体模型精确的结果,缺点是由于整体模型单元尺寸的细化,使得单元数目急剧增多,对计算机的要求提高且需要更多的处理时间. 方法(2)即本文采用的子模型技术.其优点是:减少甚至取消有限元模型中所需的复杂传递区域,因而大大提高计算效率;使得用户可以在感兴趣的区域就不同的设计(如不同的圆角半径)进行分析;另外还可以帮助用户证明网格划分是否足够细等. 其缺点是它只对实体单元和壳单元有效;另外子模型的原理要求切割边界应远离应力集中区域.
以预紧工况下的船用柴油机连杆模型为例,在螺栓与连杆盖的螺纹啮合区域采用子模型技术进行精细分析,以获得复杂结构区域的精确应力值.[2]
1子模型技术
子模型通常是用来在原模型基础上获取更为精确结果的1种方法,即从已分析的模型上截取部分区域,对其网格进行细划后进行二次应力分析,从而得到更精确的结果. 子模型方法又称为切割边界位移法或特定边界位移法. 切割边界就是子模型从整个较粗糙的模型分割开来的边界. 整体模型切割边界的计算位移值即为子模型的边界条件.[3-6] 子模型分析过程一般包括建立和分析粗模型、建立子模型、生成切割边界插值及分析子模型4个步骤.
2有限元建模及分析
连杆螺栓是船用柴油机中最重要的连接件,连杆螺栓的断裂会击毁柴油机或击伤工作人员. 因此,必须对连杆螺栓进行准确分析,以保证其有足够的强度.
2.1建立有限元模型
考虑到连杆的对称性,取连杆的1/2模型作为整体模型,在子模型切割边界上预先分割整体模型,以便生成切割边界. 被重点关注的螺栓与连杆啮合区域,采用简化结构,即光螺杆与光螺孔的绑定接触(Bond). 整体结构采用高阶四面体单元(SOLID187),几何模型和有限元模型见图2. 有限元模型中单元数量为172 520个,节点数量为303 993个.
2.2载荷和边界条件
(1)对称条件:分析采用1/2对称模型,在对称面施加对称边界条件;(2)固定约束:为避免刚移,在连杆体杆身凹槽处施加固定约束;(3)螺栓预紧:在螺栓上以预紧量形式施加螺栓预紧载荷;(4) 装配过盈量:在上下轴瓦间以及衬套与小端孔间存在过盈.
2.3整体模型计算结果
整体结构的应力见图3. 由于在螺纹啮合处进行简化,因此螺纹啮合处的计算结果仅供参考,其精确应力结果在下一步的子模型分析中得到.
2.4建立子模型
为得到整体连杆模型中螺纹处的精确应力,必须在整体模型中建立螺纹结构,并细化螺纹啮合处的网格,子模型的实体模型和有限元模型见图4.
整体模型计算出的局部结构切割面位移,以边界条件形式加载到子模型的切割边界上;再施加螺栓预紧量. 通过子模型技术,准确反映螺杆、螺孔的结构,真实描述螺杆与螺孔间的相互作用关系.
2.5子模型计算结果与分析
通过ANSYS子模型技术,得到螺栓螺纹处的von Mises应力见图5.
图6和7给出某截面上螺纹牙的等效应力路径显示和等效应力曲线图. 由螺栓螺纹牙的应力分布可以看出,应力分布整体上随着螺纹深度方向逐渐降低,其中前3圈螺纹应力较大,可见前3圈螺纹承载着大部分的预紧力.
3结论
应用ANSYS子模型技术,稳健、高效地解决连杆模型中螺纹啮合处应力精确分析问题,该技术为复杂结构中重点关注区域的应力精确分析提供1种有效方法.
参考文献:
[1]博弈创作室. APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M]. 北京:中国水利水电出版社, 2004: 1-4.
[2]陈大荣. 船舶内燃机设计[M]. 北京: 国防工业出版社, 1995: 158-160.
[3]ANSYS, Inc. ANSYS高级技术分析指南[K].
[4]龚曙光. ANSYS在应力分析设计中的应用[J]. CAD/CAM计算机辅助设计与制造, 2001(7):21-23.
[5]龚曙光. ANSYS基础应用及范例解析[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.
[6]易日. 使用ANSYS 6.1进行结构力学分析[M]. 北京: 北京大学出版社, 2002.