ANSYS Workbench中應(yīng)力線性化方法-大開(kāi)孔壓力容器管箱接管應(yīng)力的準(zhǔn)確計(jì)算-連載7

2017-06-03  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

創(chuàng)建應(yīng)力分類線的2種方法

方法一:

壓力容器應(yīng)力結(jié)果評(píng)定時(shí),往往將材料厚度方向的應(yīng)力拆分為沿著厚度一致的薄膜應(yīng)力、線性變化的彎曲應(yīng)力和非線性增量的峰值應(yīng)力,根據(jù)所關(guān)注內(nèi)容進(jìn)行分別評(píng)定。對(duì)于采用殼單元的有限元模型,可以直接提取前兩者,對(duì)于本文采用實(shí)體單元的計(jì)算,應(yīng)采用線性化應(yīng)力的方法提取。其關(guān)鍵操作是創(chuàng)建合適位置的提取線,即Path。本技巧采用兩種方法創(chuàng)建提取線,首先介紹第一種,利用臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)的方式,幫助定位提取線的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

該技巧的第一種方法與筆者第一部著作《ANSYS Workbench 結(jié)構(gòu)工程高級(jí)應(yīng)用》中國(guó)水利水電出版社出版中,壓力容器案例所采用的方法基本一致;第二種方法與筆者的第二部著作《ANSYS Workbench 工程應(yīng)用實(shí)例詳解》,中國(guó)鐵道出版社中,常用操作技巧章節(jié)所采用的方法基本一致。

設(shè)置Path時(shí),一般采用設(shè)置起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)的形式進(jìn)行定位。需要提取的位置往往與幾何模型已有的邊,線等不一定重合,故如何快速的找到合適的坐標(biāo)值,較為復(fù)雜。根據(jù)ASME規(guī)范第八冊(cè)第二卷,不同的模型有著不同的提取位置,本文方便起見(jiàn),僅以最大應(yīng)力點(diǎn)為Path的起點(diǎn),并將終點(diǎn)設(shè)置為橫貫材料厚度的對(duì)面表面節(jié)點(diǎn)上。

由于事先不能知道最大應(yīng)力點(diǎn)的精確坐標(biāo),可以采用打擦邊球的方式,利用Workbench環(huán)境中,放大模型后模型旋轉(zhuǎn)的視覺(jué)中心點(diǎn)標(biāo)志作為臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn),并在其附近創(chuàng)建局部坐標(biāo)系,再逐漸移動(dòng)局部坐標(biāo)系位置至該臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)處,并創(chuàng)建Path,將其起點(diǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)從默認(rèn)的整體坐標(biāo)系更改為局部坐標(biāo)系再稍稍修正坐標(biāo)位置的方法,創(chuàng)建十分接近最大應(yīng)力點(diǎn)處的Path。

為了方便查看視覺(jué)中心點(diǎn)是否已十分接近最大應(yīng)力點(diǎn),可在應(yīng)力后處理中將顯示模式設(shè)置為顯示單元的方式。并單擊Max圖標(biāo),以顯示最大應(yīng)力點(diǎn)的位置,如圖-92所示。

圖-92 顯示單元

圖-93為同時(shí)顯示應(yīng)力結(jié)果云圖和網(wǎng)格線以及最大應(yīng)力點(diǎn)的結(jié)果。其左上角Result中為150,即當(dāng)前結(jié)果是將模型變形放大150倍后顯示的,其不利于視覺(jué)中心點(diǎn)的定位,應(yīng)將其修改為0。

圖-93 最大應(yīng)力結(jié)果

將Result更改為0,并快速雙擊最大應(yīng)力點(diǎn)Max圖標(biāo)處,即可生成一個(gè)紅色圓球狀圖標(biāo),其為旋轉(zhuǎn)模型時(shí)的中心點(diǎn),即需要的臨時(shí)位置信標(biāo)。如圖-94所示。

圖-94 創(chuàng)建中心點(diǎn)

該中心點(diǎn)無(wú)法量化的進(jìn)行定位,可創(chuàng)建局部坐標(biāo)系,以方便采用坐標(biāo)精確定位。單擊Outlie中坐標(biāo)系系統(tǒng),向上單擊局部坐標(biāo)系按鈕創(chuàng)建一個(gè)局部坐標(biāo)系,并將選擇模式更改為選點(diǎn)的方式,回到模型單擊與紅色標(biāo)記最近的幾何模型上已有的點(diǎn)。如圖-95所示。

圖-95 創(chuàng)建局部坐標(biāo)系

圖-96為新建的局部坐標(biāo)系。其橫向?yàn)榫G色的Y向,與紅色標(biāo)記點(diǎn)基本在同一平面處?？赏ㄟ^(guò)移動(dòng)Y方向的方式,將該局部坐標(biāo)系的基準(zhǔn)點(diǎn)從已有幾何模型的點(diǎn)上,水平移動(dòng)到標(biāo)記點(diǎn)附近。單擊局部坐標(biāo)系,向上單擊Offset Y。如圖-96所示。

圖-96 移動(dòng)坐標(biāo)系

局部坐標(biāo)系Y軸的左向?yàn)檎较?在詳細(xì)信息中多次試探性的輸入負(fù)數(shù),如-10mm可盡量貼近標(biāo)記點(diǎn)。如圖-97所示。轉(zhuǎn)換視角后發(fā)現(xiàn)Y方向稍有偏差,如圖-98所示。

圖-97 移動(dòng)坐標(biāo)系Y方向

圖-98 稍有偏差

繼續(xù)設(shè)置Offset,至-12.5mm即可在Y方向與標(biāo)記點(diǎn)幾乎重合。如圖-99所示。轉(zhuǎn)換視角后發(fā)現(xiàn),其原點(diǎn)與臨時(shí)標(biāo)記仍有偏差,單擊整體坐標(biāo)系Y的反方向按鈕,轉(zhuǎn)換視角,繼續(xù)移動(dòng)坐標(biāo)系。如圖-100所示。

圖-99 移動(dòng)坐標(biāo)系Y方向

圖-100 轉(zhuǎn)換視角

轉(zhuǎn)換后可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)將局部坐標(biāo)系的X方向正方向移動(dòng)和Z方向負(fù)方向,用上述方法即可逐漸移動(dòng)到幾乎重合。如圖-101、102、103、104所示。

圖-101 移動(dòng)X方向

圖-102 移動(dòng)完成

圖-103 移動(dòng)Z方向

圖-104 移動(dòng)完成

轉(zhuǎn)換視角后,局部坐標(biāo)系已經(jīng)十分貼近臨時(shí)坐標(biāo)點(diǎn)。如圖-105所示。由于需要多次移動(dòng),此操作也許需要消耗大量的精力和耐心。下面插入Path。右鍵單擊Outline中創(chuàng)建構(gòu)造幾何。如圖-106所示。

圖-105 移動(dòng)完成

圖-106 創(chuàng)建構(gòu)造幾何

右鍵單擊新建的構(gòu)造幾何中即可插入Path。如圖-107所示。單擊新建的Path,在詳細(xì)信息中將起點(diǎn)的基準(zhǔn)坐標(biāo)從默認(rèn)的整體坐標(biāo)系調(diào)整為剛剛新建并移動(dòng)的局部坐標(biāo)系。如圖-108所示。

圖-107 創(chuàng)建提取線

圖-108 更改坐標(biāo)系

將起點(diǎn)坐標(biāo)系修改后,模型上可以生成白色半透明的Path,其方向用紫色半透明箭頭表示。繼續(xù)修改終點(diǎn)的坐標(biāo)系至新建坐標(biāo)系。如圖-109、110所示。

圖-109 更改坐標(biāo)系

圖-110 生成的提取線

起點(diǎn)和終點(diǎn)都調(diào)整為局部坐標(biāo)系時(shí),其詳細(xì)信息坐標(biāo)值均為黃色,即缺乏數(shù)據(jù)。此時(shí)Path的起點(diǎn)和終點(diǎn)重合,應(yīng)修改坐標(biāo)方向,以利于生成正確的Path。如圖-111所示?；氐絆utline中單擊局部坐標(biāo)系,查看其橫向?yàn)閄方向,回到Path的詳細(xì)信息中,修改起點(diǎn)X方向坐標(biāo)值,生成新的Path。如圖-112所示。由于提前不知道起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)的具體值,也許需要多次試探才能在合理位置穿過(guò)最大應(yīng)力點(diǎn)生成Path,而且其長(zhǎng)度應(yīng)十分接近當(dāng)?shù)氐哪Ｐ捅诤?。使得該操作需要十分的耐心與細(xì)心。

圖-111 重合的起點(diǎn)與終點(diǎn)

圖-112 輸入起點(diǎn)坐標(biāo)

此時(shí)Path已經(jīng)十分接近所需位置,為了提高結(jié)果提取的精度應(yīng)將其首位移動(dòng)到最近的有限元模型節(jié)點(diǎn)上。即右鍵Snap操作。如圖-113所示。移動(dòng)后的坐標(biāo)如圖-114所示。如果網(wǎng)格劃分較粗,也許移動(dòng)后的起點(diǎn)或終點(diǎn)與預(yù)期位置偏差較大,建議盡量細(xì)化網(wǎng)格。

圖-113 移動(dòng)到鄰近節(jié)點(diǎn)

圖-114 移動(dòng)后的坐標(biāo)

右鍵創(chuàng)建一個(gè)線性化結(jié)果。如圖-115所示。

圖-115 設(shè)置線性化結(jié)果

將新建的線性化應(yīng)力結(jié)果詳細(xì)信息中,提取方式Path選擇為剛剛設(shè)置的那一個(gè),回到Outline右鍵單擊線性化結(jié)果并刷新。如圖-116所示。

圖-116 刷新線性化結(jié)果

刷新后線性化結(jié)果以云圖方式顯示,其最大值與等效應(yīng)力結(jié)果的最大值一致,而模型則半透明顯示。如圖-117所示。在Outline中,其結(jié)果會(huì)將薄膜應(yīng)力等結(jié)果統(tǒng)計(jì)列表。如圖-118所示。

圖-117 云圖結(jié)果

圖-118 列表結(jié)果

如需查看完整的結(jié)果,可以將下方Graph向上拖拽,即可查看具體數(shù)值和折線圖。如圖-119所示。

圖-119 圖表顯示結(jié)果

至此,應(yīng)力線性化結(jié)果第一種提取方式介紹完畢。該方法適合于事先不知道具體坐標(biāo)時(shí)的情況,操作非常復(fù)雜,需要多次調(diào)整位置坐標(biāo),可能會(huì)耗費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間創(chuàng)建。

方法二:

下面介紹第二種提取方式,該方法利用Workbench 14.5版本的新功能,直接選中節(jié)點(diǎn)的功能,并搭配選擇信息功能,提取以選節(jié)點(diǎn)坐標(biāo),并在Path中直接輸入該坐標(biāo)的方法定位。在17.0以上版本,在選擇過(guò)濾器中新增了兩個(gè)按鈕,即選中節(jié)點(diǎn)和選中單元,其相對(duì)之前的版本需要將選中幾何模型修改為選中有限元模型再可以選中節(jié)點(diǎn)的操作更加便捷。

與上文類似,計(jì)算完成后查看最大應(yīng)力值,并顯示網(wǎng)格和顯示MAX圖標(biāo),以方便查看。單擊選擇過(guò)濾器中選中節(jié)點(diǎn)按鈕,回到有限元模型選中最大應(yīng)力點(diǎn)的節(jié)點(diǎn),再向上單擊藍(lán)色選擇信息按鈕。選中的節(jié)點(diǎn)將變成綠色舉行線框狀。如圖-120所示。

在應(yīng)力結(jié)果詳細(xì)信息中可以看出,最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在6寸法蘭處,在單擊選擇信息按鈕后,左下角詳細(xì)信息中有已選節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)編號(hào)、所處零件等信息。注意其默認(rèn)的是以全局坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的坐標(biāo)值,可以通過(guò)新建局部坐標(biāo)并以其為基準(zhǔn)提取。圖-121所示。可采用截圖的方法將坐標(biāo)值臨時(shí)保存,或者手工記錄下節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

圖-120 選中節(jié)點(diǎn)

圖-121 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)

在設(shè)置Path時(shí)即可以此坐標(biāo)值為起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)。這樣可以避免第一種方法中未知坐標(biāo)而采用中間臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)而盲目移動(dòng)的問(wèn)題。下面創(chuàng)建Path,方法同上。如圖-122所示。在Path的詳細(xì)信息中,輸入起點(diǎn)的坐標(biāo),其與之前選中節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)相同。如圖-123所示。

圖-122 創(chuàng)建Path

圖-123 輸入起點(diǎn)坐標(biāo)

在輸入任意坐標(biāo)值時(shí),模型上將自動(dòng)生成基于已經(jīng)輸入坐標(biāo)起點(diǎn)和默認(rèn)全局坐標(biāo)系零點(diǎn)終點(diǎn)的Path。由于Path需要橫貫?zāi)Ｐ徒孛?輸入終點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)可以復(fù)制起點(diǎn)的2個(gè)方向坐標(biāo),將第三個(gè)方向的坐標(biāo)略有改變,以將Path的位置大致定位。如圖-125所示。

圖-124臨時(shí)的Path

圖-125大致的坐標(biāo)

在Path處右鍵并將其移動(dòng)到鄰近節(jié)點(diǎn)。如圖-126所示。移動(dòng)后的坐標(biāo)和位置如圖-127所示。其與圖-125的位置差異,主要取決于網(wǎng)格劃分的尺寸。

圖-126 移動(dòng)到鄰近節(jié)點(diǎn)

圖-127 移動(dòng)后的位置

擁有正確位置的Path以后,即可如方法一所示流程,創(chuàng)建基于該P(yáng)ath的線性化結(jié)果。分別如圖-128、129、130所示。

圖-128 創(chuàng)建線性化結(jié)果

圖-129 設(shè)置Path并刷新

圖-130 線性化結(jié)果

圖-119中第一種方法最大應(yīng)力結(jié)果為92.006Mpa,在圖-130中第二種方法是92.061Mpa,而整體模型應(yīng)力結(jié)果中,圖-93為92.076Mpa。此三組結(jié)果幾乎一致,說(shuō)明兩種提取方法的計(jì)算精度較好。

本文均采用等效應(yīng)力的最大應(yīng)力點(diǎn)為Path的起點(diǎn)位置,其與壓力容器規(guī)范評(píng)定需求略有不同。本文僅從操作方法和思路上介紹了兩種在特定位置創(chuàng)建應(yīng)力提取線的方法。在ASME規(guī)范第八卷第二分冊(cè)第五篇,按分析設(shè)計(jì)要求中對(duì)于評(píng)定線位置的要求如下。如圖-131所示。實(shí)際進(jìn)行評(píng)定時(shí),應(yīng)以規(guī)范要求為準(zhǔn)。

12. 將線性化結(jié)果導(dǎo)出Excel

結(jié)果提取完畢后,可將沿著路徑方向的各項(xiàng)應(yīng)力結(jié)果復(fù)制出來(lái),并輸入第三方數(shù)據(jù)處理軟件繪圖。將在圖-130中Tabular Data的數(shù)據(jù)復(fù)制出來(lái)。右鍵該表格縱向數(shù)字1上方灰色方塊,單擊下拉菜單中的Copy將其復(fù)制出來(lái)。如圖-131所示。

圖-131 應(yīng)力分類線的位置

圖-132 復(fù)制結(jié)果

打開(kāi)Excel并粘貼此數(shù)據(jù),并生成一個(gè)面積圖。如圖-133所示。

圖-133 生成面積圖

圖-134 為創(chuàng)建出的沿著壁厚變化的各項(xiàng)應(yīng)力結(jié)果面積圖。

圖-134 線性化結(jié)果面積圖

至此,本文所介紹的各項(xiàng)技巧完成。

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