高壓平蓋封頭結構有限元分析研究

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1 高壓平蓋封頭結構有限元分析研究 論文 第 一章 有限元分析 件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 發(fā)，它能與多數 件接口，實現數據的共享和交換，如 I－ 。 是現代產品設計中的高級 具之一。 限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可 應用于以下工業(yè)領域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產品、重型機械、微機電系統、運動器械等。 件提供的分析類型有結構靜力分析、結構動力學分析、結構非線性分析、動力學分析、熱分析、電磁場分析、流體動力學分析、聲場分析、壓電分析等 9 類，軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型。 前處理模塊主要有兩部分內容：實體建模和網格劃分；分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和 高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 應用 供的立體問題單元對力學問題進行模擬分析是我們的課題中將采用的主要方法。 對于有限單元法的解法而言，從求解問題的性質上可以歸結為三類，即獨立于時間的平衡問題 （或穩(wěn)態(tài)問題）、特征值問題、依賴于時間的瞬態(tài)問題。這三類問題，從方程自身性質考慮，還存在對應的非線性情形，非線性可以是由材料性質，變形狀態(tài)和邊界接觸條件引起的，分別成為材料、幾何、邊界非線性。求解非線性有限元問題的算法研究主要有以下幾種： （ 1）采用 法或修正 法等將非線性方程轉化為一系列線性方程進行迭代求解，并結合加速方法提高迭代收斂的速度。 （ 2）采用預測 定加載過程中材料的應力應變的演化過程 。 2 （ 3）采用廣義弧長法等時間步長控制方法和臨界點搜索、識別方法，對非線性載荷 （ 4）采用拉格朗日（ 子法、罰函數法或直接引入法，將接觸面條件引入泛函，求解接觸和碰撞問題。 最后應指出，由于有限元法解題的規(guī)模越來越大，為了縮短解題的周期，基于并行計算機和并行計算軟件系統的有限元并行算法，近年來得到很大發(fā)展。作為優(yōu)化產品研發(fā)流程的仿真技術及軟件的開發(fā)者和革新者， 司 2005年 6 月 2 日發(fā)布 版本。我們的對切削加工的受力問題的研究將在臺下開展。 第二章 介 件 是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用 有限元分析軟件 。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 發(fā)，它能與多數 件接口 ，實現數據的共享和交換，如 I－ ， 是現代產品設計中的高級 具之一。 技術種類 技術種類有很多，其中包括 有限元法 ( 邊界元法 ( 有限差法 ( 。每一種方法各有其應用的領域，而其中有限元法應用的領域越來越廣，現已應用于結構力學、結構動力學、熱力學、流體力學、電路學、電磁學等。 限元 軟件 包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因 3 此它可應用于以下工業(yè)領域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產品、重型機械、 微機電系統 、運動器械等。 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供 了一個強大的實體建模及 網格 劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型； 分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力； 后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半 透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線 形式顯示或輸出。 軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設備上，如 布 版本 美國 賓夕法尼亞州 6 月 2 日消息：作為優(yōu)化產品研發(fā)流程的仿真技術及軟件的開發(fā)者和革新者， 司（納斯達克股票代號： 天發(fā)布 版本。新版本在性能、易用 4 性、協同工作及耦合技術，如流固耦合，等方面有很大提高。 其有很好的兼容性，將于 7 月正式投入市場。 延續(xù)了 貫強大的耦合場技術， 本為復雜的流固耦合（ 題提供了更完善的解決 方案。該版本整合了世界一流的應力分析和流體分析技術，形成了一套完整的 決方案。通過適合于特定場要求的網格劃分，一個單一的幾何體可以應用于兩種場。該版本提供了有效地解決 力學分析的信息交換功能。目前市場上沒有任何其他的 件可以提供如此強大的穩(wěn)健性和高度的精確性分析。另外，該版本可以在多個機群進行并行處理解決超大模型。 “表了最先進的 合技術，較 了顯著的提高 ” ， ， “ 我們一直致力于拓展 真 技術的廣度和深度，同時建立各種類型的仿真分析軟件的空前 大連 盟。得益于 合 術的架構，我們創(chuàng)建了建模、仿真、分析、前后處理的一系列無縫鏈接。 版本整合了世界上最優(yōu)秀的結構、熱、流體等分析功能。 ” 入了旋轉機械和葉片設計工具，豐富了境下的行業(yè)化功能。即 款針 對旋轉機械葉片構件的高效的三維設計工具；以及 款高質量的葉片設計六面體網格劃分工具。 5 “ 結合了 渦輪專用的前后處理 能， ”司副總裁兼總經理 ， “ 應力分析、計算流體動力學分析或流固耦合分析的模型可以直接建立，通過 以把模型擴展到上下游部件，最終完成整個模型的分析。 提供此功能上獨一無二的環(huán)境，借此空氣動力學工程師可以進 行 計，同時確認結構特征。這將大幅度縮短設計流程。 ” 在機械應用領域， 括了 全部的熱瞬態(tài)分析功能。這不僅幫助用戶進行非常復雜的時域仿真，同時 可自動完成很多建模和求解工作。這樣可以輕松快速地求解設備在一定運行時間內的熱性能。 為了滿足日益增加的對大型復雜問題及時有效的分析需求，并行求解器如今可增加了對 通信技術的選擇余地。除了支持 支持 對于以前的架構， 本著以低成本硬件設備提供高性能解決方案的目標， 可支持 P 64 位機的 片集。此項改革解決了許多用戶在 作系統 下運行大型模型所面臨的 2存限制。另外，它也使 得 戶不再需要寫硬盤就能完成整個求解，從而節(jié)約求解時間。 6 對于用戶，這將幫助他們更加經濟有效地解決大型模型問題，如那些低頻穩(wěn)態(tài)和全瞬態(tài)電磁分析問題。 行求解器可以解決高于一億自由度的大型電磁問題，在 在高頻電磁領域， 本提供了一個新的模式端口。此端口大大簡化了集成電路（ 射頻識別 (射頻微機電系統 (多種設備分析傳輸線端口的建模。標準算例顯示，利用此端口建模，可以顯著縮小模型尺寸，在保證精確的頻域計算結果前提下， 節(jié)約 30％到 50％的求解時間和內存需求。 新版本增加了旋轉機械的陀螺效應，它提高了 渦輪機械和其他 旋轉結構 的轉子動力學分析的能力。 在耦合場領域，結構－熱－電磁三場耦合分析中增加熱彈阻尼 (一個在金屬、制陶及 域非常重要的內耗裝置。 續(xù) 旋律，提供我們的用戶可供選擇的全自動或個人控制的強大分析軟件。我們在核 心的網格處理技術上有十足的增強，在 個 應用程序 間共享網格。另外，雙向參數互動的 口的穩(wěn)健性也得到了提高。過混合網格剖分新功能和 型細節(jié)處理功能，提供了完整的一系列網格劃分工具以模擬真實世界，如汽車引擎罩下的散熱分析和汽車碰撞分析。 “ 出的又一大 步，在每種場都是這樣，也包括各種場在 耦合， ”司副總裁兼總經理 ， “ 沒有其他任何一家 司可以與 7 我們相匹敵，在一個單一的 ” 通過 計工程師可以在產品設計階段對 3D 括零件和裝配件）進行應力變形分析、熱及 熱應力 耦合分析、振動分析和形狀優(yōu)化，同時可對不同的工況進行對比分析。 有智能化的非線性求解專家系統，可自動設定求解控制，得到收斂解；用戶不需具備非線性有限元知識即可完成過去只有專家才能完成的接觸分析。 用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影 響并不顯著的問題。 序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。 結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。 進行的結構動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。 8 結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。序可求解靜 態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結構在空間中的 運動特性 ，并確定結構中由此產生的應力、應變和變形。 程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析 。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結構應力之間的熱－結構耦合分析能力。 主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設計和分析領域。 體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產 生壓力、流率和溫度分布的圖形 9 顯示。另外，還可以使用三維表面效應單元和熱－流管單元模擬結構的流體繞流并包括對流換熱效應。 程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結構的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預測水對振動船體的阻尼效應。 用于分析二維或三維結構對 流）、 流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、 麥克風 等部件及其它電子設備的結構動態(tài)性能分析?？蛇M行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應分析、瞬態(tài)響應分析 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型； 前處理模塊主要有兩部分內容：實體建模和網格劃分。 10 序提供了兩種實體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球 、棱柱，稱為基元，程序則自動定義相關的面、線及關鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊 、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用 布爾 運算來組合數據集，從而 “ 雕塑出 ” 一個實體模型。 S 程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結和重疊。在創(chuàng)建復雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作 能減少相當可觀的建模工作量。 伸、旋轉、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能。附加的功能還包括 圓弧構造、切線構造、通過拖拉與旋轉生成面和體、線與面的自動相交運算、自動倒角生成、用于網格劃分的硬點的建立、移動、拷貝和 刪除。自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構造模 型，即：用戶首先定義關鍵點，然后依次是相關的線、面、體。 二 序提供了使用便捷、高質量的對 括四種網格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由 劃分和自適應劃分。延伸網格劃分可將一個二維網格延伸成一個三維網格。映像網格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后 選擇合適的單元屬性和網格控制，生成映像網格。序的自由網格劃分器功能是十分強大的，可對復雜模型 11 直接劃分，避免了 用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網格不匹配帶來的麻煩。 自適應網格 劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶 指示程序自動地生成有限元網格，分析、估計網格的離散誤差，然后重新定義網格大小，再次分析計算、估計網格的離散誤差，直至誤差 低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數。 分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬 多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力； 后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設備上，如 目前最新版本 同級別的軟件還有 ， ， 有流體計算模塊， 12 三 在 荷包括邊界條件和外部或內部作用力函數，在不同的分析領域中有不同的表征，但基本上可以分為 6 大類：自由度約束、力（集中載荷）、面載荷、體載荷、慣性載荷以及耦合場載荷。 1、自由度約束（ :將給定的自由度用已知量表示。例如在結構分析中約束是指位移和 對稱邊界條件，而在熱力學分析中則指的是溫度和熱通量平行的邊界條件。 2、力（集中載荷）（ 是指施加于模型節(jié)點上的集中載荷或者施加于實體模型邊界上的載荷。例如結構分析中的力和力矩，熱力分析中的熱流速度，磁場分析中的電流段。 3、面載荷（ :是指施加于某個面上的分布載荷。例如結構分析中的壓力，熱力學分析中的對流和熱通量。 4、體載荷（ :是指體積或場載荷。例如需要考慮的重力，熱力分析中的熱生成速度。 5、慣性載荷（ :是指由物體的慣性而引起的載荷。例如重力加速度、角速度、角加速度引起的慣性力。 6、耦合場載荷（ :是一種特殊的載荷，是考慮到一種分析的結果，并將該結果作為另外一個分析的載荷。例如將磁場分析中計算得到的磁力作為結構分析中的力載荷。 13 (立于 1970 年，致力于工程仿真軟件 和技術的研發(fā)，在全球眾多行業(yè)中，被工程師和 設計師 廣泛采用。 司重點開發(fā)開放、靈活的，對設計直接進行仿真的解決方案，提供從概念設計到最終測試產品研發(fā)全過程的統一平臺，同時追求快速、高效和和成本意識的產品開發(fā)。 訓和技術支持一體化服務。 司總部位于美國賓夕法尼亞州的 匹茲堡 ，全球擁有 60 多個代理。 球有 1700 多名員工，在 40多個國家銷售產品。 006年收購了在流體仿真領域處于領導地位的美國 司，于 2008 年收購了在電路和電磁仿真領域處于領導地位的美國 司。通過整合， 司成為全球最大的仿真軟件公司。目前， 個產品線包括 結構分析(列， 流體動力學 ()系列，電子設計（ 列以及 品廣泛應用于航空、航天、電子、車輛、船舶、交通、通信、建筑、電子、醫(yī)療、國防、石油、化工等眾多行業(yè)。 國 是 上海 ，北京， 成都 和深圳設有分公司，負責 前在中國， 子設計系列產品 (原 由 國直接負責市場、銷售與技術服務等。 械和流體仿真設計產品以及 14 品由渠道合作伙伴安世亞太科技有限公司（ 責銷售與技術支持。 第三章 高壓平蓋封頭結構的有限元分析 立力學分析模型 圖 3平頭蓋結構的示意圖，承受的內壓力為 P=10定封頭該的材料為 35械設計手冊》可以查得： 彈性模量1E=206松比1?=體的材料為 16《機械設計手冊》可以查得： 彈性模量2E=206松比2?=15 圖 3壓平頭蓋結構的示意圖 由于封頭結構具有軸對稱性，其載荷也具有軸對稱性。因此他是一個軸對稱問題。選用 件中的 元來進行分析，通過簡化后，封頭結構有限元分析的力學模型如圖 3 16 圖 3頭結構的力學模型 輸入命令流： ！退出當前處理器 / ！清除當前設置 / ！進入前處理器 , ! 選取單元 ,3,1 !將單元設置為軸對稱單元 ,,,,,, ,0 X,1,, ！ 35 17 ,, ！ 35,, ！ 16X,2,, ！ 16驗輸入結果 面找到“ 的“ 項如圖 3示。出現對話框 3取 命令，彈出對話框3料參數選取正確。 圖 3 圖 318 圖 3元及其材料選取結果 2. 在 面找到 選取 下的命令，彈出 對話框 3圖 3取對話框中 下的 命令彈出對話框 3此可知材料輸入正確。 19 圖 3立幾何模型 由于是軸對稱問題，在有限元分析模型時，只要建立圖 3了顯示其軸對稱性，建立的圖形繞軸線旋轉即可得到三維結構。 生成圖形的命令流為： 1. *,1000 2. ,580/H,0,800/H， 生成矩形面一如圖 3 20 圖 3形面 3. ,500/H,0,300/H, 生成矩形面二結果如圖 3 21 圖 3. ,450/H,300/H,650/H, 生成矩形面三結果如圖 3 22 圖 3. . 1,10,200/H,, 對內部輪廓線進行倒角操作結果如圖 3示： 23 圖 3. ,9 連線結果如圖 3示： 圖 324 8. ,1 面由線分開結果如圖 3 圖 3. ,7 10. ,,,1 刪除面及下面的線和關鍵點結果如圖 3示： 25 圖 31. ,,,1 圖 326 12. ,,,1 圖 33. 相加操作結果如圖 3 27 圖 3相加 14. ,2,150/H,, 對外輪廓線進行倒角運算結果如圖 3 圖 328 15. ,4 16. ,,,1 生成的封頭剖面結果如圖 3示： 圖 3分網格 為了保證生成的網格是規(guī)則的并施加不同的材料性能，必須要對封頭面盡心一些分割 。對分割后的面采用映射方式生成網格，其操作過程的命令操作如下： 1. ,7,90,0,. ,9,90,0,. ,5,90,0,29 由點向線作垂線結果如圖 3示： 圖 3. ,8 5. ,10 6. ,13 面由線分開成兩部分結果如圖 3示： 30 圖 3. ！設置所有面的默認屬性 8. 9. ,, 10. ,,1 ！對面號 1的面設置為第二種材料 11. ,,1,0 12. ！選擇所有的實體 13. ,,,5,,,,,1 14. 0,,,5,,,,,1 15. 3,,,5,,,,,1 16. 8,,,5,,,,,1 17. ,,,8,,,,,1 18． ,,,4,,,,,1 31 19． 1,,,8,,,,,1 20． ,,,14,,,,,1 圖 31． ,3,4, 22． ,3 23． ,4． ,9 25． 51X 26． ！設置為映射網格劃分方式 27． 對所有的面進行網格劃分結果顯示如圖 3 32 圖 3格劃分 28. 加載荷 首先進入到 3 施加載荷的命令操作為： 1. / ！進入到求解器 2. 8,,施加 Y 方向的約束，結果顯示如圖 3 33 圖 3加 Y 方向約束 3. 9,,. ,5. ,6. ,7. 1,施加載荷結果顯示如圖 3示： 34 圖 3加約束 解 求解的命令操作為： 1. . 加求解計算，求解計算完成時出現對話框如圖 3圖 335 第四章 查看分析結果 用 行完求解計算后，我們就可以在后處理器中查看位移（沿坐標方向的位移）以及總位移分布圖（包括各應力分量、主應力和 4． 1 總位移分布 首先我們要進入后處理器其操作命令為： 1. /看總位移分布其操作命令為： 2. ,,1 結果顯示如圖 4 圖 4移分布圖 36 4． 2 查看 X 軸方向的位移分布 查看 X 軸方向的位移分布其操作命令為： 3. ,X,0,1 結果顯示如圖 4 圖 4X 方向的位移分布 4． 3 查看 4. ,,1 結果顯示如圖 4 37 圖 4X 方向的應力分布圖 龔曙光 例題 538 圖 平蓋封頭結構示意圖 39 /T,1,,3,1 ,,,,,, ,0 X,1,,,,,,X,2,,,1000 ,580/H,0,800/H ,500/H,0,300/H, ,450/H,300/H,650/H, 1,10,200/H,, ,9 ,1 ,7 ,,,1 ,,,1 ,,,1 ,2,150/H,, ,4 ,,,1 ,7,90,0,,9,90,0,,5,90,0,,8 ,10 ,13 ,, ,,1 40 ,,1,0 ,,,5,,,,,1 0,,,5,,,,,1 3,,,5,,,,,1 8,,,5,,,,,1 ,,,8,,,,,1 ,,,4,,,,,1 1,,,8,,,,,1 ,,,14,,,,,1 ,3,4, ,3 ,,9 51X L,18,,9,,,,,1,三章 高壓平蓋封頭結構的分析 41 2 3 42 4 5 43 6 7 44 8 9 45 10 11 46 12 13 47 14 15 48 16 17 49 18 19 50 20 21 51 22 23 52