有限单元法--贺伟--带预紧力的螺栓法兰管道ansys建模分析

带预紧力的螺栓法兰管道ansys建模分析学生：贺伟（2014282100085）一、问题表述螺栓法兰结构具有构造简单、可操作性好等特点，因此在工业结构中应用广泛。典型应用如航天对接结构、石油化工设备中密闭管道的连接、风力发电机主轴结构以及核反应堆冷却泵转子组件的轴向连接。螺栓法兰连接虽然可以为结构提供一定的连接刚度与强度，但是，由于几何上的突变和结构对连续性的破坏，连接部位在外力的作用下会产生局部变形过大、应力与变形分布不均匀等现象。因此，要求采用整体模型分析螺栓管道的受力、变形、开裂等情况。已知几何外形和尺寸如下图所示，用ansys进行分析。图１典型法兰连接结构二、参数说明材料性能：结构由两段相对连接面完全对称的柱壳结构组成，柱壳材料为Q235结构钢（弹性模量E=200Gpa，泊松比u=0.28，密度3.7800mkg）；两段柱壳之间由外翻的L形法兰和4颗M10螺栓进行连接，螺栓材料为S45合金钢（弹性模量E=210Gpa，泊松比u=0.27，密度3.7850mkg）。螺栓之间使用预紧力为10KN，将法兰管道对接好，中间无垫片，法兰管道的两端使用固定的方式固定在夹具上，然后进行分析螺栓管道的受力、变形、开裂等情况。三、有限元模型建模（1）进入ANSYS，进入设置工程名为falan。（2）定义分析类型为结构分析。MainMenuPreferences，在弹出的对话框中选择structural，单击OK按钮。（3）定义单元类型。路径：MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete。执行路径，在弹出的ElementType对话框中单击Add按钮，在新的LibraryofElementTypes对话框中选择SOLID185单元为1号单元,用于整个模型，方便建模分析，不区分法兰管道和螺栓的材料区别，直接进行分析。图2定义单元种类（4）定义材料属性。路径1：MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels路径2：MaterialModelsAvailableStructuralLinearElasticIsotropic图3弹性模量和泊松比路径3：MaterialModelsAvailableStructuralDensity图4密度执行该路径后，在DefineMaterialModalBehavior对话框的菜单栏中选择Material，并单击NewModel，增加一个材料模型。对于将螺栓材料的性质也可以加入到里面进行建模。（5）建立几何模型。路径：MainMenuPreprocessorModelingCreateVolumesCyinderByDimension。图5集合建模操作图6建立圆管道图7管道建立的ansys模型同样的操作，进行法兰盘面、螺栓圆柱体、螺帽和螺母圆环的建模。我们将法兰管道的整个几何模型进行建立，建立的图形如下所示。图8带螺栓的法兰管道模型（5）在几何模型上进行布尔运算图9布尔运算操作该操作即将管道和两个法兰盘面进行Glue，形成一个标准件；一个螺栓杆Glue两个螺栓帽组成螺栓标准件。同理，本次建模包含两个标准的法兰管道标准件；通过四个螺栓标准件进行连接在一起。这就是本次建模分析的对象。（6）改变显示模型。路径1：UtilityMenuPlotCtrlsPan-Zoom-Rotate。执行该路径后，单击ISO按钮，以正等侧显示几何模型。（7）进行网格划分先进行对接的法兰盘网格划分，按照如下的方式进行操作，选择MeshingMeshTool进行智能划分，选择Lines选项Set进行线条的划分设置，设置份数：法兰盘圆周上30份，厚度方向10mm厚盘面划分4段，5mm厚划分2段，管道长度方向划分40段，螺栓上面进行对等划分：螺帽外环上划分3段，螺杆和法兰盘接触的环面上划分4段，采用sweep方式进行划分，划分的形式如下图所示。图10网格划分控制方式划分的网格顺序为对接的法兰盘，管道，另一边法兰盘，最后是四个螺栓。互粉出来的结果如下图所示。图11模型整体网格划分图12法兰盘对接细部网格划分（8）考虑接触由于两个法兰盘面之间是两个不同的标准件，通过螺栓进行预紧对接在一起进行受力，所以在法兰盘面和螺栓接触的环面上需要进行非线性接触的考虑，我们考虑的接触之间的摩擦系数为0.2。图13接触的操作方式图14进行目标面的选择图15输入接触之间的摩擦系数0.2（9）加载求解图16求解之前定义分析类型图17在两个法兰盘面进行位移约束为0的输入图18在螺栓和对接的环面上输入模拟的预紧力（10）进入到SolveCurrentLS进行求解图19整体加载的方式四、成果整理采用整体模型分析螺栓管道的受力、变形、开裂等情况。我们主要是得到了模型求解的应力图，和剖开看某一个截面的应力图，同样的，可以使用ansys得到其位移图。图20静力分析的应力结果图21对接的细部应力图图22法兰管道在静力分析下纵剖面的应力云图