1 前言

　　本文作者自1995 年7月開(kāi)始學(xué)習(xí)應(yīng)用ANSYS ，迄今已有13 年。這些年來(lái)，應(yīng)用ANSYS 解決了不少工程實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題。典型工程應(yīng)用有：1)2000 年，與一重集團(tuán)合作的核電筒體翻管鍛造成形數(shù)值模擬。該問(wèn)題采用ANSYS/LSDYNA 進(jìn)行了核電筒體接管鍛造成形過(guò)程的三維數(shù)值模擬;2)1999 年，應(yīng)用于戴卡轎車(chē)輪轂制作公司的輪轂疲勞壽命有限元預(yù)測(cè)。該問(wèn)題采用ANSYS 進(jìn)行了轎車(chē)輪轂彎曲疲勞分析;3)2000 年，應(yīng)用于北京北開(kāi)電氣公司的8KA 真空開(kāi)關(guān)溫度場(chǎng)有限元分析及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該問(wèn)題采用ANSYS 進(jìn)行了真空開(kāi)關(guān)三維熱電耦合分析。下面僅以這三個(gè)實(shí)例進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

　　2 核電筒體翻管鍛造成形數(shù)值模擬

　　大型核電筒體接管處的強(qiáng)度是核電筒體設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵。焊接管強(qiáng)度問(wèn)題一直困擾著核電筒體的設(shè)計(jì)。由于壓力容器焊接管對(duì)壓力容器安全性能的影響，克魯索-羅華公司率先采用鍛造接管工藝來(lái)制造蒸汽發(fā)生器封頭。1999 年與第一重型集團(tuán)合作項(xiàng)目“大型厚壁容器的有限元數(shù)值模擬和工藝優(yōu)化” 利用ANSYS/LS-DYNA 軟件，對(duì)鍛造接管成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以確定影響鍛造接管成形的主要工藝因素及選擇工藝參數(shù)的基本原則，在此基礎(chǔ)上確定模具尺寸, 并利用自主開(kāi)發(fā)的基于監(jiān)控技術(shù)的約束變尺度法優(yōu)化程序OPTIII 進(jìn)行鍛造接管成形過(guò)程的優(yōu)化計(jì)算，以獲得筒體預(yù)開(kāi)孔直徑最優(yōu)值。

　　圖1 有限元模型圖

　　圖1為四分之一有限元模型圖。以數(shù)值模擬為依據(jù)，設(shè)計(jì)了鍛造接管成形試驗(yàn)?zāi)＞摺Ｔ囼?yàn)用圓柱筒體材料為鉛，筒體外直徑Φ250mm ，高200mm ，管厚20mm ，筒體預(yù)開(kāi)孔直徑為Φ12.5mm 。試驗(yàn)在315 噸液壓機(jī)上進(jìn)行。圖2 所示為試驗(yàn)件結(jié)果掃描圖。圖3 為翻管試驗(yàn)結(jié)果掃描圖。實(shí)測(cè)結(jié)果如下：

　　接管高度H=20.5mm接管內(nèi)直徑d=36mm接管外直徑D=49mm有限元計(jì)算接果與試驗(yàn)結(jié)果相比，接管高度誤差：

　　可見(jiàn)，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合，試驗(yàn)一次成功。最后，值得一提的是，第一重型機(jī)械集團(tuán)公司利用這套模具以鋼質(zhì)毛坯進(jìn)行了同樣的試驗(yàn)，也獲得了成功。

　　3 轎車(chē)輪轂彎曲疲勞試驗(yàn)分析

　　未考慮螺栓連接的轎車(chē)輪轂彎曲疲勞壽命有限元分析已成為秦皇島戴卡鋁輪轂制造有限公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型輪轂的基本分析方法。本文建立了包括輪轂、連接螺栓以及加載桿在內(nèi)的整體有限元模型，考慮了各元件之間的接觸，并與以前開(kāi)發(fā)的未考慮螺栓連接的輪轂彎曲疲勞有限元模型進(jìn)行了比較。計(jì)算結(jié)果表明，考慮螺栓連接的輪轂有限元分析模型可以較為真實(shí)地反映輪轂螺栓孔附近的應(yīng)力狀態(tài)，因而可以用來(lái)預(yù)測(cè)輪轂螺栓孔附近區(qū)域疲勞失效情況。

　　3.1 計(jì)算模型

　　圖4 幾何模型圖(1/2)

　　圖5 有限元網(wǎng)格圖　　

　　圖6 邊界條件和加載

　　建立了輪轂、螺栓和加載桿在內(nèi)的整體分析模型，并定義了它們之間的相互接觸關(guān)系，忽略摩擦的影響。考慮到對(duì)稱性，僅需建立二分之一模型(圖4)。輪轂劃分為72763個(gè)單元，19169 個(gè)節(jié)點(diǎn)。加載桿劃分為16510個(gè)單元， 7509個(gè)節(jié)點(diǎn)。螺栓劃分為11475個(gè)單元，12265個(gè)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)有限元模型(圖5)的單元總數(shù)為100748個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為38943 個(gè)。邊界條件和加載情況見(jiàn)圖6。施加在加載桿上的力載荷為3908.65N 。對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束。輪輞裝夾部位施加固定約束。

　　3.2 無(wú)螺栓結(jié)果

　　圖7 輪轂等效應(yīng)力分布圖(無(wú)螺栓)

　　為了比較有無(wú)螺栓的區(qū)別，本文首先對(duì)沒(méi)有考慮螺栓的模型進(jìn)行了有限元分析。這種模型沒(méi)有考慮螺栓連接以及加載桿和輪轂之間的接觸，僅僅將加載桿端部與輪轂粘接在一起。圖7 給出了無(wú)螺栓模型等效應(yīng)力分布圖。由該圖可見(jiàn)，最大等效應(yīng)力值為110MPa，在輪輻部位。

　　3.3 有螺栓結(jié)果

　　圖8 輪轂等效應(yīng)力分布圖(有螺栓)

　　圖8 給出了有螺栓模型等效應(yīng)力分布圖。由該圖可見(jiàn)，最大等效應(yīng)力值為212MPa，在螺栓孔附近。對(duì)比圖7 和圖8 可知，無(wú)螺栓模型不能真實(shí)地反映出螺栓孔附近的應(yīng)力分布情況。而這種型號(hào)的輪轂恰好在螺栓孔部位發(fā)生疲勞裂紋，因而必須用考慮螺栓連接的模型來(lái)計(jì)算。

　　3.4 小結(jié)

　　無(wú)螺栓模型不能真實(shí)地反映出螺栓孔附近的應(yīng)力分布情況。有螺栓模型能夠較為真實(shí)地計(jì)算出螺栓孔附近的應(yīng)力分布，因而可以用來(lái)設(shè)計(jì)這種在螺栓孔部位發(fā)生疲勞失效的輪轂。計(jì)算出輪轂在彎曲疲勞試驗(yàn)工況下的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)之后，就可以利用ANSYS 的疲勞分析模塊進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)。

　　4 80KA 真空開(kāi)關(guān)溫度場(chǎng)有限元分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本課題為2000 年2 月-4 月間與北京北開(kāi)電氣股份有限公司合作的一個(gè)項(xiàng)目“80KA 真空斷路器溫度場(chǎng)有限元分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”，該項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)額定短路開(kāi)斷電流為80KA ，額定電壓為12KV，額定電流為6300A 的真空斷路器。該問(wèn)題為多物體熱接觸問(wèn)題，為了準(zhǔn)確確定邊界條件，首先根據(jù)該公司現(xiàn)有的產(chǎn)品，即額定短路開(kāi)斷電流為63KA，額定電壓為12KV，額定電流為4000A 的真空斷路器的圖紙及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行溫度場(chǎng)有限元分析，從而確定邊界條件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

　　4.1 溫度場(chǎng)有限元分析

　　圖9 為63KA 真空斷路器有限元模型圖。圖10為其溫度場(chǎng)有限元計(jì)算結(jié)果圖。圖11 為新設(shè)計(jì)的80KA 真空斷路器溫度場(chǎng)有限元計(jì)算結(jié)果圖。圖12 為新產(chǎn)品最終設(shè)計(jì)產(chǎn)品圖，該照片來(lái)自北京北開(kāi)電氣股份有限公司網(wǎng)頁(yè)。

　　圖9有限元模型圖　　

　　圖10 63KA 真空斷路器溫度場(chǎng)

　　圖11 80KA 真空斷路器溫度場(chǎng)　　

　　圖12 ZN105-12/T6300-80發(fā)電機(jī)真空斷路器

　　5 結(jié)論

　　有限元分析技術(shù)在工程中具有廣闊的應(yīng)用范圍和前景。有限元應(yīng)用于工程中可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造周期，從而給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。然而成功的有限元工程應(yīng)用需要具備必要的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)、有限元法基本原理、長(zhǎng)期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、靈活的思維和不斷探索的精神。