Solidworks安全閥有限元分析

2013-08-13  by:廣州有限元培訓實踐中心  來源:有限元分析培訓中心

Solidworks安全閥有限元分析

安全閥是一種常用的排泄容器內壓力的閥門,當容器壓力超過一定值時,閥門自動開啟,排出一部分流體,令容器內壓力降低,當壓力降低到一定程度時,閥門自動關閉,以保持容器內的壓力可以固定在一定的范圍內。

    安全閥按照單次的排放量,可以分為微啟式安全閥和全啟式安全閥。微啟式安全閥閥瓣的開啟高度為閥座內徑的1/15~1/20,全啟式安全閥閥瓣的開啟高度為閥座內徑的1/3~1/4。

    本實例所設計安全閥為全啟式安全閥,如圖9-1所示,其中需要使用有限元驗證的是:在安全閥“整定壓力”下彈簧的長度,以此來確定調整螺釘和固定螺釘的初始位置;分析在“排放壓力”下本安全閥能否達到所設計的開啟高度。

   
    主要流程

    由于本節的終極目的是得到彈簧的預緊力長度和驗證本實例所設計安全閥的設計合理性,本節在進行仿真之初,首先對整個模型進行了簡化(理想化),以快速得到需要的分析數據,然后通過常用的有限元分析步驟——添加應用材料、設置夾具和外部載荷、進行分析來得到模型分析結果。

    此外,安全閥的整定壓力通常為容器工作壓力的1.05倍,安全閥開啟后,閥瓣所受壓力通常只有整定壓力的0.3倍,這兩個參數是下面在計算過程中需要用到的。

    實施步驟
    步驟1 打開本文提供的素材文件“安全閥仿真用有限元模型1.SLDASM”,單擊“常用”工具欄“選項”下拉菜單中的“插件”按鈕,在打開的“插件”對話框中選中前的復選框,單擊“確定”按鈕,啟用Simulation插件。

    步驟2  單擊“Simulation”工具欄中的“新算例”按鈕,打開“算例”選擇屬性管理器,設置算例“類型”為靜態,單擊“確定”按鈕,創建一新的有限元算例。

  
    步驟3 右鍵單擊“算例”樹中的“零件”項,在彈出的快捷菜單中選擇“應用材料到所有”菜單項,打開“材料”對話框,為所有零件選用“不銹鋼(碳素體)”材料(此材料耐蒸汽等的腐蝕,也是制作彈簧的常用材料)。

    步驟4 右鍵單擊“算例”樹中的“夾具”項,在彈出的快捷菜單中選擇“固定幾何體”菜單項,打開“夾具”屬性管理器,選擇裝配體的上邊的模型面為固定面,單擊“確定”按鈕將此面完全固定。

步驟5 再次右擊“夾具”項,在打開的快捷菜單中選擇“高級夾具”菜單項,打開“夾具”屬性管理器,選擇“在圓柱面上”按鈕,選擇“受力面積仿真座”的圓柱面為只可切向運動的面,并選中“徑向”按鈕,單擊“確定”按鈕,令彈簧只能沿軸向壓縮或伸長。

    步驟6  右鍵單擊“算例”樹中的“外部載荷”項,在彈出的快捷菜單中選擇“壓力”菜單項,打開“壓力”屬性管理器,選擇“受力面積仿真座”的底部面為受力面,設置壓力大小為525000N/m2,單擊“確定”按鈕,為彈簧添加外部載荷。

    步驟7 右鍵單擊“算例”樹中的“網格”項,在彈出的快捷菜單中選擇“生成網格”菜單項,打開“網格”屬性管理器,保持系統默認設置,單擊“確定”按鈕,經過軟件自動計算為仿真模型添加網格。

    步驟8 右鍵單擊“算例”樹頂部的“算例1”項,在彈出的快捷菜單中選擇“運行”菜單項,系統自動開始對仿真模型進行有限元計算。計算過程中系統會彈出“線性靜態算例”提示對話框,單擊“否”按鈕繼續(其原因詳見下面提示),完成有限元計算,并默認顯示有限元“應力”圖解結果。

    步驟9  右鍵單擊“算例”樹底部“結果”文件夾中的“位移1”項,在彈出的快捷菜單中選擇“顯示”菜單項,在右側視圖中將圖解顯示模型的位移效果,其最頂部為模型的最大位移,也即是彈簧的壓縮長度,為1.402e+001,即14.02mm,而彈簧的自然長度為126mm,所以可大概確定裝配時應使彈簧壓縮后的長度接近于112mm。

    步驟10 通過與步驟1~步驟9相同的操作,打開素材文件“安全閥仿真用有限元模型2.SLDASM”,設置壓力大小為157500N/m2,其他設置與前面操作相同,進行有限元仿真,可得出此時彈簧的最大位移為26.3mm。

    知識點詳解

    有限元分析是一個復雜的過程,結合上面實例操作,下面再來跟大家一起梳理一遍進行有限元分析的基本操作,以及需要注意的問題,具體如下。

    1.SolidWorks Simulation概論

    Simulation(中文字意即是“模擬”)是一款基于有限元分析技術(FEA)的設計分析軟件(實際上SolidWorks還提供有另外一款有限元分析軟件——SolidWorks Flow Simulation,而Flow Simulation主要用于流體分析)。

    FEA技術是將自然世界中無限的粒子,劃分為有限個單元,然后進行模擬計算的技術。FEA技術不是唯一的數值分析工具,在工程領域還有有限差分法、邊界元法等多種方法,但是FEA技術卻是功能最為強大,也是最常使用的分析技術。

    有限元實際上也就是有限個單元,為什么要劃分為有限個單元呢?這主要是因為,就像是要計算一個圓的面積,可以通過計算其內接多邊形的邊長來近似得到,要得到更加準確的周長值,可以將多邊形的邊數無限增加,當然最終所計算的圓的周長值也只能是一個近似值(就像是圓周率是一個無限循環的小數)。

    在計算機中,同樣不能將一個物體的所有因素完全考慮清楚,那將是一個永遠無法完成的計算量,所以使用有限個單元模擬無限的物理量不失為一個高明的做法,雖然僅得到了一個近似值,但是在很多領域已經足夠了。

    單擊“常用”工具欄“選項”下拉菜單中的“插件”按鈕,在打開的“插件”對話框中可以啟用SolidWorks Simulation插件。

    Simulation插件啟用后,在SolidWorks頂部菜單欄中會增加一個Simulation菜單,此菜單下的子菜單項包含了所有在有限元分析過程中可以進行的操作。此外,如啟用了CommandManager功能,在頂部工具欄中將顯示Simulation標簽欄,此標簽欄中包含了有限元分析的大多數工具,并進行了歸類整理,這是一個具有智能化特點的有限元分析工具欄。

當然,在Simulation中,使用Simulation工具欄加模型樹右鍵菜單操作的方式,不失為一種更加直接和簡便易學的操作方法。通過Simulation工具欄新建需要使用的算例類型后,在左側算例樹中使用右鍵菜單自上而下順序對樹中的選項進行設置,然后進行分析,即可初步完成有限元分析操作。

    2.新建有限元算例

    單擊“Simulation”工具欄中的“新算例”按鈕,打開“算例”選擇屬性管理器,設置算例類型,單擊“確定”按鈕,可以創建一有限元算例。

    Simulation有限元分析共提供了從靜態到壓力容器設計等9種有限元分析方法,其中“靜態”算例是最常使用的分析算例,可以用于分析線性材料的位移情況、應變情況、應力及安全系數等(其他各算例的作用,可參見本章后面的知識拓展)。

    “靜態”算例的算例樹中,通常包含5項,下面解釋一下這些算例項的意義。
    零件:主要用于設置零件材料,未對零件設置材料,分析過程中會給出錯誤提示,未設置材料的零件其圖標前無“對勾”,設置過的將以“對勾”標識。
    連接:用于在分析裝配體時,添加零部件間的連接關系,可以添加彈簧連接、軸承連接和螺栓連接等多種連接關系(添加連接關系后,可將原有的一些分析因素省掉,如添加了螺栓連接,就可在分析模型中不包含螺栓)。
    夾具:設置模型固定位置的工具,為了分析的方便,模型總有一部分是固定不動的,添加夾具后可以省去對原有夾具的分析,以進一步理想化分析模型。
    外部載荷:設置模型某時間點的受力情況,可添加力、壓力、扭矩、引力、離心力等,也可對溫度等進行模擬。
    網格:用于對模型劃分網格,也可以控制模型個別位置網格的密度,以保證分析結果的可靠性。

    3 設置零件材料

    右擊“算例”樹中的“零件”項,在彈出的快捷菜單中選擇“應用材料到所有”菜單項(或右擊“零件”項下的某個零件,在彈出的快捷菜單中選擇“應用/編輯材料”菜單項),打開“材料”對話框,然后可以為所有零件或某個零件選用材料。

    用戶無法對默認材料庫中的材料屬性進行編輯(只可以選用),如需要使用系統未定的材料,可以在下部的“自定義材料”分類中進行添加。添加自定義材料時需要注意,紅色的選項是必填項,是必需的材料常數,在大多數分析中都會被用到;藍色的為選填項,只在特定的載荷中才會被使用。

    4 固定零部件

    右鍵單擊“算例”樹中的“夾具”項,在彈出的快捷菜單中選擇“固定幾何體”菜單項(或其他固定工具),打開“夾具”屬性管理器,選擇模型的某個面、線或頂點,可為模型添加固定約束。

    “固定幾何體”是完全定義模型位置的約束(關于其他約束的意義,詳見本章“實例35”中知識點的講述),被約束的對象在沒有彈性變形的情況下將完全無法運動,而被添加夾具的面或線上將顯示夾具標記,標識對點的6個自由度(3個平移自由度和3個旋轉自由度)作了限制(不同夾具所限制的自由度個數有所不同,標識也會有所不同)。

    5.添加載荷

    右鍵單擊“算例”樹中的“外部載荷”項,在彈出的快捷菜單中選擇要添加的載荷(如選擇“力”項),打開“力/扭矩”屬性管理器,然后設置力的受力位置、方向和大小等要素,即可添加外部載荷。

    在添加外部載荷的過程中,關鍵是對載荷的大小和方向的設置,如在上面“力/扭矩”對話框中,除了可以通過面的法向設置力的方向外,還可以通過選定的方向設置力的方向。在“單位”卷展欄中可設置力的單位(SI為國際單位,即牛[頓],此外也可以使用英制和公制),在“符號設定”卷展欄中可以設置力符號的顏色和大小。

    此外,一次可同時在多個不同面上添加不同方向的多個力,在“力/扭矩”卷展欄中,“按條目”是指在每個面上添加單獨所設置的力值,而按“總數”則是在兩個面上按比例分配所設置的力值。
6.網格劃分

    右鍵單擊“算例”樹中的“網格”項,在彈出的快捷菜單中選擇“生成網格”菜單項,打開“網格”屬性管理器,設置合適的網格精度或保持系統默認設置,單擊“確定”按鈕,可以為模型劃分網格。

    通過“網格”屬性管理器“網格密度”卷展欄中的精度條可以調整網格的進度,網格精度越大,模型分析結果越接近真實值,但是用時也越長。

    SolidWorks提供了兩種網格單元(針對實體):一種為一階單元;一種為二階單元。一階單元(即所謂的草稿品質),具有4個節點,二階單元具有10個節點。系統默認選用二階單元劃分網格,如需選用一階單元劃分網格,可選擇“網格”屬性管理器“高級”卷展欄中的“草稿品質網格”復選框。

    此外,“高級”卷展欄中的“雅可比點”用于設定在檢查四面單元的變形級別時要使用的積分點數,值越大計算越精確,所用時間越長。“選項”卷展欄中的“不網格化而保存設置”復選框表示只設置新的網格數值而不立即進行網格化處理;選中“運行(求解)分析”復選框,可在網格化之后立即運行仿真算例分析。

    7.分析并看懂分析結果
    右鍵單擊“算例”樹頂部的“算例X”項 ,在彈出的快捷菜單中選擇“運行”菜單項,可以對仿真模型進行有限元計算,完成有限元計算后系統將默認顯示有限元“應力”的圖解結果。

    在有限元分析圖解結果中,右側的顏色條與模型上的顏色緊密對應,在“應力”圖解中,默認使用紅色表示當面實體上所受到的最大應力,使用藍色表示所受到的較少應力,根據顏色條上的值可以讀出應力大小。在顏色條的下端顯示有當前模型的屈服力值,如實體材料已處于屈服狀態,將在顏色條中用箭頭標識屈服點的位置。

    “靜態”分析后,系統默認生成3個分析結果,分別為應力、位移和應變。右擊算例樹中的“結果”項,可在打開的快捷菜單中選擇需要的菜單項,添加其他算例分析結果,如選擇“定義疲勞檢查圖解”菜單項,在打開的對話框中選用轉載類型,或保持系統默認單擊確定按鈕可添加疲勞檢查圖解。

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