基于Solidworks Simulation對閥體總體一次薄膜應力求解技術(shù)路線(xiàn)探討

　　通過(guò)對閥體總體一次薄膜應力的理解，運用Solidworks 對閥體數模進(jìn)行建立并應用Solidworks Simulation 對閥體數模進(jìn)行網(wǎng)格及邊界條件加載，經(jīng)求解后所得應力值，應用Excel 表格分析技術(shù)對提取應力線(xiàn)性化后求解出閥體總體一次薄膜應力。

1、概述

　　總體一次薄膜應力是在閥門(mén)設計過(guò)程中一個(gè)關(guān)鍵的計算數據，其保證了閥門(mén)承壓部件壓力邊界的完整性，其應力評定的準則應滿(mǎn)足相應的法規及標準的規定。本文結合三維建模軟件Solidworks 進(jìn)行閥門(mén)閥體實(shí)體數模建立，并運用Solidworks Simulation有限元分析軟件對數模進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件加載及強度分析，將應力分析結果數據導入到Excel 表格中提取總體一次薄膜應力。

　　壓力載荷下產(chǎn)生的一次總體薄膜應力是最基本的應力，是為平衡壓力載荷所產(chǎn)生的，這種應力如超過(guò)材料的許用應力達到材料的屈服點(diǎn)，則容器產(chǎn)生很大的變形( 徑向膨脹) ，如不計殼體材料的應變強化效應，則殼體材料會(huì )發(fā)生塑性流動(dòng)，導致容器爆破。這種破壞是在一次加載條件下就發(fā)生的。

2、有限元分析

　　隨著(zhù)計算科學(xué)的發(fā)展，原來(lái)得不到解析的復雜結構應力可以用有限元法求解，能夠得到各部分比較準確詳細的應力計算結果，為運用應力分類(lèi)方法進(jìn)行分析設計提供了基礎。計算機技術(shù)的發(fā)展為有限元法的應用提供了有利條件。

　　分析設計是以板殼理論方法計算出的應力為基礎進(jìn)行應力分類(lèi)，板殼理論屬于應用彈性力學(xué)范疇，是對某些問(wèn)題做了工程上允許的簡(jiǎn)化和假設處理后再用彈性力學(xué)方法的求解。而有限元法屬于彈性力學(xué)的范疇，是彈性力學(xué)的一種粗化方法。

　　2.1、建立數模

　　建立模型是有限元分析的第一步，模型生成的目的是建立能真實(shí)反映實(shí)際設計原型的數學(xué)模型。有限元建模為數值計算提供所有原始輸入數據。這里先對閥體建立實(shí)體幾何模型，在此基礎上建立有限元模型。

　　根據閥體圖紙尺寸，利用Solidworks 軟件實(shí)體建模模塊對閥體整體建立參數化分析模型( 圖1) 。并對分析模型應用材料屬性，彈性模量取1.9kN /m²，泊松比取0.3。

圖1 閥體立體數模

　　2.2、劃分網(wǎng)格

　　網(wǎng)格劃分就是將實(shí)體模型進(jìn)行離散，在此之前必須指定所分析對象的特征，包括材料屬性、單元類(lèi)型、實(shí)常數的定義選擇。

　　單元的劃分遵循“均勻應力區粗劃，應力梯度大的區域細劃”的原則。在閥體上，網(wǎng)格應細劃的位置是閥體的入口處與閥體中腔的交界處。網(wǎng)格粗劃的位置是閥體的大部分與閥體上的筋板等部位。為保證有限元計算結果的可靠性，單元網(wǎng)格劃分尺寸設定不大于閥體的最小壁厚值。應用SolidworksSimulation 對閥體指定網(wǎng)格尺寸，采用四面體自適應網(wǎng)格技術(shù)，進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，雅可比為4 點(diǎn)，節點(diǎn)數為35 466，共計23 357 個(gè)單元( 圖2) 。

圖2 閥體實(shí)體網(wǎng)格劃分

　　2.3、受力分析及載荷加載

　　根據實(shí)際受力情況施加邊界條件及載荷( 圖3) ，對閥體進(jìn)出口端面進(jìn)行固定，對閥體內部施加10. 0MPa 內壓載荷。

　　2.4、應力結果

　　靜力分析后，處理的步驟主要包括繪制變形圖、變形動(dòng)畫(huà)、支反力列表、應力等值線(xiàn)圖和網(wǎng)格密度檢查。

　　運行Solidworks Simulation 求解器進(jìn)行應力求解，根據一次和二次應力的分類(lèi)原則，由應力云圖可以看出需對閥門(mén)的通徑處進(jìn)行總體一次薄膜應力求解。繪制并提取支撐線(xiàn)段上29 個(gè)應力值( 圖4) 。

3、總體一次薄膜應力求解

　　總體一次薄膜應力需要對主應力進(jìn)行等效線(xiàn)性化處理。等效線(xiàn)性化就是把實(shí)際應力曲線(xiàn)用靜力等效的辦法做線(xiàn)性化處理。

圖3 對閥體施加邊界條件及載荷

圖4 提取支撐線(xiàn)段上應力

　　(1) 確定應力校核線(xiàn)。一般選在幾何不連續的部位、厚度或曲率變化的部位以及開(kāi)孔、接管等局部不連續的地方，應當包括五類(lèi)應力的最大值可能出現的地方，也應選擇連接所選危險部位兩個(gè)表面間的最短線(xiàn)。

　　(2) 按靜力等效原理，將應力沿校核線(xiàn)做線(xiàn)性化處理。即用一個(gè)等價(jià)的線(xiàn)性化應力分布代替實(shí)際應力分布。處理后，由合力等效得出的沿斷面均勻分布的平均應力屬于薄膜應力，由合力矩等效得出的沿斷面線(xiàn)性分布的屬于彎曲應力，其余的為非線(xiàn)性部分。

　　總體一次薄膜應力存在整體不連續區域之外或載荷作用的不連續區域之外，是沿基準平面支撐線(xiàn)段上的正應力平均值，即由軸向薄膜應力、環(huán)向薄膜應力、徑向薄膜應力及3 個(gè)平均剪應力導出。因此需對分析應力結果按照相關(guān)規范要求進(jìn)行線(xiàn)性化處理，然后提取該線(xiàn)性上的正應力，并對應力強度求解。所謂應力強度就是某點(diǎn)最大剪應力的兩倍。本文結合Excel 表格繪制功能，導入Solidworks Simulation中支撐線(xiàn)段上的應力值( 表1) 。

表1 Solidworks Simulation 中支撐線(xiàn)段上的應力值(部分) MPa

圖5 Excel 中繪制應力線(xiàn)性化曲線(xiàn)

　　圖5 由6 條應力曲線(xiàn)組成，包括支撐線(xiàn)段上的3 個(gè)主應力曲線(xiàn)及其形成的3 條膜應力曲線(xiàn)。根據形成的曲線(xiàn)計算出應力強度，可以得到支撐線(xiàn)段處總體一次薄膜應力不超過(guò)20MPa。

　　按規則設計是以彈性失效設計準則為基礎，將總體部位的最大設計應力限制在材料的屈服點(diǎn)以下，保證總體部位始終處于彈性狀態(tài)而不會(huì )發(fā)生彈性失效。

　　應用壓力面積法對總體一次薄膜應力進(jìn)行求解，其值為不超過(guò)15MPa，考慮到閥門(mén)結構的不連續性，運用有限元求解出的應力更加準確。

4、結語(yǔ)

　　通過(guò)Solidworks Simulation 求解應力及Excel表格制作功能提出了閥體應力線(xiàn)性化的技術(shù)路線(xiàn)，實(shí)現了相關(guān)標準對閥體一次應力求解的有限元方法，同時(shí)也給出了基于Solidworks Simulation 應力線(xiàn)性化的方案，實(shí)現了總體一次薄膜應力在Solidworks中的求解。