亞力坤　王 鵬 / 新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院

基于SolidWorks Simulation的受力彎管有限元分析

亞力坤王 鵬 / 新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院

針對(duì)大口徑熱量表檢測(cè)裝置檢測(cè)DN50 mm、DN65 mm、DN80 mm的熱量表時(shí)，在入水口彎管處出現(xiàn)管道局部翹起現(xiàn)象，采用solidworks實(shí)現(xiàn)受力彎管的三維建模，在simulation有限元仿真環(huán)境下，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的受力彎管進(jìn)行變形位移、應(yīng)力、應(yīng)變分析，為彎管的設(shè)計(jì)研究、安裝調(diào)試提供參考。

Solid Works Simulation；受力彎管；有限元分析

0　引言

為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，落實(shí)量值傳遞與溯源，研制并建立了大口徑熱量表檢測(cè)裝置（DN50 ～ 300 mm，流量0.2 ～ 600 m3/h）（如圖1），流量準(zhǔn)確度等級(jí)可達(dá)0.1級(jí)，但也存在很多問(wèn)題。當(dāng)檢測(cè)DN50 mm、DN65 mm、DN80 mm的熱量表時(shí)，在入水口彎管處出現(xiàn)管道局部翹起現(xiàn)象，在一定程度上影響測(cè)量值的準(zhǔn)確性，同時(shí)也會(huì)嚴(yán)重縮減裝置的使用壽命。

本文以DN50 mm、DN65 mm、DN80 mm管道入水口受力彎管作為研究對(duì)象，采用solidworks實(shí)現(xiàn)受力彎管的三維建模，在simulation有限元仿真環(huán)境下，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的受力彎管進(jìn)行變形位移、應(yīng)力、應(yīng)變分析，為彎管的設(shè)計(jì)、調(diào)試提供參考意見(jiàn)。

1　線(xiàn)性靜力分析

SolidWorks Simulation線(xiàn)性靜力分析主要用來(lái)分析零部件在給定靜力載荷作用下的響應(yīng)。通過(guò)求解靜力分析的控制方程式（1）即可求得結(jié)構(gòu)在各節(jié)點(diǎn)的位移向量 ，同時(shí)也可得到各單元在各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力及單元所承受的靜力分析控制方程式（2）［1］。

式中：［ M ］ — 質(zhì)量矩陣；

［ C ］ — 阻尼矩陣；

［ K ］ — 剛度系數(shù)矩陣；

（ x ） — 位移矢量；

（ F ） — 力矢量

2　建模、劃分網(wǎng)格

圖2　受力彎管結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)際受力彎管如圖2所示，材料選擇合金鋼（SS），模型類(lèi)型為線(xiàn)性彈性同向性，適合線(xiàn)性靜力分析；受力彎管主要受到預(yù)夾緊力0.7 MPa，該力主要由空氣壓縮機(jī)提供，再通過(guò)氣動(dòng)夾緊裝置執(zhí)行；受力點(diǎn)是法蘭連接端面，方向與水流方向相反。

根據(jù)分析研究需要，將受力彎管設(shè)計(jì)成如下四種方案：450 mm×800 mm、450 mm×800 mm（有加強(qiáng)筋）、450 mm×600 mm、600 mm×800 mm，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3　受力彎管網(wǎng)格化

3　有限元分析

方案一：450 mm×800 mm（圖4）

此結(jié)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)裝置的實(shí)際尺寸，分析數(shù)據(jù)可以看出：受力彎管的最小位移（URES）為0 mm，最大位移可達(dá)7.915 mm；產(chǎn)生的最小應(yīng)力（VON：von Mises）為0.301 MPa，最大應(yīng)力可達(dá)217.364 MPa；最小應(yīng)變（ESTRN）為1.151×10-6，最大應(yīng)變可達(dá)7.784×10-4。

方案二：450 mm×800 mm（有加強(qiáng)筋）（圖5）

從數(shù)據(jù)分析可以看出：受力彎管的最小位移為0 mm，最大位移可達(dá)1.014 mm；產(chǎn)生的最小應(yīng)力為0 MPa，最大應(yīng)力可達(dá)148.314 MPa；最小應(yīng)變?yōu)?.024 ×10-17（可忽略不計(jì)），最大應(yīng)變可達(dá)4.056×10-4。

方案三：450 mm×600 mm（圖6）

分析數(shù)據(jù)可以看出：受力彎管的最小位移為0.001 mm，最大位移可達(dá)3.898 mm；產(chǎn)生的最小應(yīng)力為0.380 MPa，最大應(yīng)力可達(dá)157.007 MPa；最小應(yīng)變?yōu)?.186×10-6，最大應(yīng)變可達(dá)5.618×10-4。

方案四：600 mm×800 mm（圖7）

圖4　方案一：受力彎管的位移、應(yīng)力、應(yīng)變

圖5　方案二：受力彎管的位移、應(yīng)力、應(yīng)變

圖6　方案三：受力彎管的位移、應(yīng)力、應(yīng)變

圖7　方案四：受力彎管的位移、應(yīng)力、應(yīng)變

分析數(shù)據(jù)可以看出：受力彎管的最小位移為0.001 mm，最大位移可達(dá)8.939 mm；產(chǎn)生的最小應(yīng)力為0.401 MPa，最大應(yīng)力可達(dá)217.483 MPa；最小應(yīng)變?yōu)?.118×10-6，最大應(yīng)變可達(dá)7.765×10-4。

4　結(jié)果

通過(guò)建模、網(wǎng)格劃分以及有限元分析，可以得出：不同結(jié)構(gòu)方案下的受力彎管都會(huì)發(fā)生不同程度的位移，且產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變；受力彎管的最大位移發(fā)生在法蘭連接端，而最大的應(yīng)力、應(yīng)變出現(xiàn)在彎管的固定端。由于位移、應(yīng)力及應(yīng)變的最小量不是研究重點(diǎn)，本文只關(guān)注不同結(jié)構(gòu)方案產(chǎn)生的最大值（如圖8），結(jié)論是：帶有加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)方案二產(chǎn)生的位移、應(yīng)力及應(yīng)變最小，其次是縮短豎直直管段的方案三；方案四增加水平直管段的長(zhǎng)度，反而會(huì)產(chǎn)生更大的位移、應(yīng)力應(yīng)變。

圖8　不同結(jié)構(gòu)方案產(chǎn)生的影響

5　結(jié)語(yǔ)

由上所述，為了消除管道局部翹起以及較大應(yīng)力應(yīng)變對(duì)受力彎管的影響，使裝置的性能更加穩(wěn)定、可靠，延長(zhǎng)裝置的使用壽命，建議縮短豎直、水平直管段的長(zhǎng)度，且在加工豎直直管段時(shí)可以考慮設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，從而增強(qiáng)受力彎管的強(qiáng)度和剛性，克服應(yīng)力過(guò)大的變形。

［1］ 岳云，常亮，李傲然. 基于COSMOSWorks的底座有限元分析［J］.封裝工藝與設(shè)備，2013，10（224）：36-38.

Finite element analysis for stress bending based on SolidWorks Simulation

Ya Likun，Wang Peng
（Xinjiang Institute of Measurement and Testing Technology）

As the detection device of large caliber heat meter detecting heat meter of DN50 mm/DN65 mm/DN80 mm. Inlet elbow pipe will tilt. In view of this phenomenon. To realize 3D modeling of stress bending by using SolidWorks， under the environment of simulation finite element simulation. The deformation displacement， stress and strain stress analysis on bending with different structure， to provide the reference for the design， installation and debugging of the elbow in the future.

Solidworks Simulation； stress bending； finite element analysis