ANSYS在工程中的应用

　　1 前言

　　本文作者自1995 年7月开始学习应用ANSYS ，迄今已有13 年。这些年来，应用ANSYS 解决了不少工程实际设计问题。典型工程应用有：1)2000 年，与一重集团合作的核电筒体翻管锻造成形数值模拟。该问题采用ANSYS/LSDYNA 进行了核电筒体接管锻造成形过程的三维数值模拟;2)1999 年，应用于戴卡轿车轮毂制作公司的轮毂疲劳寿命有限元预测。该问题采用ANSYS 进行了轿车轮毂弯曲疲劳分析;3)2000 年，应用于北京北开电气公司的8KA 真空开关温度场有限元分析及其结构设计。该问题采用ANSYS 进行了真空开关三维热电耦合分析。下面仅以这三个实例进行简要介绍。

　　2 核电筒体翻管锻造成形数值模拟

　　大型核电筒体接管处的强度是核电筒体设计和制造的关键。焊接管强度问题一直困扰着核电筒体的设计。由于压力容器焊接管对压力容器安全性能的影响，克鲁索-罗华公司率先采用锻造接管工艺来制造蒸汽发生器封头。1999 年与第一重型集团合作项目“大型厚壁容器的有限元数值模拟和工艺优化” 利用ANSYS/LS-DYNA 软件，对锻造接管成形过程进行数值模拟分析，以确定影响锻造接管成形的主要工艺因素及选择工艺参数的基本原则，在此基础上确定模具尺寸, 并利用自主开发的基于监控技术的约束变尺度法优化程序OPTIII 进行锻造接管成形过程的优化计算，以获得筒体预开孔直径最优值。

　　图1 有限元模型图

　　图1为四分之一有限元模型图。以数值模拟为依据，设计了锻造接管成形试验模具。试验用圆柱筒体材料为铅，筒体外直径Φ250mm ，高200mm ，管厚20mm ，筒体预开孔直径为Φ12.5mm 。试验在315 吨液压机上进行。图2 所示为试验件结果扫描图。图3 为翻管试验结果扫描图。实测结果如下：

　　接管高度H=20.5mm接管内直径d=36mm接管外直径D=49mm有限元计算接果与试验结果相比，接管高度误差：

　　可见，有限元计算结果与试验结果相当吻合，试验一次成功。最后，值得一提的是，第一重型机械集团公司利用这套模具以钢质毛坯进行了同样的试验，也获得了成功。

　　3 轿车轮毂弯曲疲劳试验分析

　　未考虑螺栓连接的轿车轮毂弯曲疲劳寿命有限元分析已成为秦皇岛戴卡铝轮毂制造有限公司设计开发新型轮毂的基本分析方法。本文建立了包括轮毂、连接螺栓以及加载杆在内的整体有限元模型，考虑了各元件之间的接触，并与以前开发的未考虑螺栓连接的轮毂弯曲疲劳有限元模型进行了比较。计算结果表明，考虑螺栓连接的轮毂有限元分析模型可以较为真实地反映轮毂螺栓孔附近的应力状态，因而可以用来预测轮毂螺栓孔附近区域疲劳失效情况。

　　3.1 计算模型

　　图4 几何模型图(1/2)

　　图5 有限元网格图　　

　　图6 边界条件和加载

　　建立了轮毂、螺栓和加载杆在内的整体分析模型，并定义了它们之间的相互接触关系，忽略摩擦的影响。考虑到对称性，仅需建立二分之一模型(图4)。轮毂划分为72763个单元，19169 个节点。加载杆划分为16510个单元， 7509个节点。螺栓划分为11475个单元，12265个节点。整个有限元模型(图5)的单元总数为100748个，节点总数为38943 个。边界条件和加载情况见图6。施加在加载杆上的力载荷为3908.65N 。对称面上施加对称约束。轮辋装夹部位施加固定约束。

　　3.2 无螺栓结果

　　图7 轮毂等效应力分布图(无螺栓)

　　为了比较有无螺栓的区别，本文首先对没有考虑螺栓的模型进行了有限元分析。这种模型没有考虑螺栓连接以及加载杆和轮毂之间的接触，仅仅将加载杆端部与轮毂粘接在一起。图7 给出了无螺栓模型等效应力分布图。由该图可见，最大等效应力值为110MPa，在轮辐部位。

　　3.3 有螺栓结果

　　图8 轮毂等效应力分布图(有螺栓)

　　图8 给出了有螺栓模型等效应力分布图。由该图可见，最大等效应力值为212MPa，在螺栓孔附近。对比图7 和图8 可知，无螺栓模型不能真实地反映出螺栓孔附近的应力分布情况。而这种型号的轮毂恰好在螺栓孔部位发生疲劳裂纹，因而必须用考虑螺栓连接的模型来计算。

　　3.4 小结

　　无螺栓模型不能真实地反映出螺栓孔附近的应力分布情况。有螺栓模型能够较为真实地计算出螺栓孔附近的应力分布，因而可以用来设计这种在螺栓孔部位发生疲劳失效的轮毂。计算出轮毂在弯曲疲劳试验工况下的应力应变场之后，就可以利用ANSYS 的疲劳分析模块进行疲劳寿命预测。

　　4 80KA 真空开关温度场有限元分析及结构设计

　　本课题为2000 年2 月-4 月间与北京北开电气股份有限公司合作的一个项目“80KA 真空断路器温度场有限元分析及结构设计”，该项目要求设计额定短路开断电流为80KA ，额定电压为12KV，额定电流为6300A 的真空断路器。该问题为多物体热接触问题，为了准确确定边界条件，首先根据该公司现有的产品，即额定短路开断电流为63KA，额定电压为12KV，额定电流为4000A 的真空断路器的图纸及试验数据，进行温度场有限元分析，从而确定边界条件，在此基础上进行新产品设计。

　　4.1 温度场有限元分析

　　图9 为63KA 真空断路器有限元模型图。图10为其温度场有限元计算结果图。图11 为新设计的80KA 真空断路器温度场有限元计算结果图。图12 为新产品最终设计产品图，该照片来自北京北开电气股份有限公司网页。

　　图9有限元模型图　　

　　图10 63KA 真空断路器温度场

　　图11 80KA 真空断路器温度场　　

　　图12 ZN105-12/T6300-80发电机真空断路器

　　5 结论

　　有限元分析技术在工程中具有广阔的应用范围和前景。有限元应用于工程中可以提高产品质量，缩短产品设计制造周期，从而给企业带来巨大的经济效益。然而成功的有限元工程应用需要具备必要的专业基础知识、有限元法基本原理、长期的实践经验、灵活的思维和不断探索的精神。