Бюлетин

Анкета

Анализ на болтови съединения с ANSYS Workbench

Дъг Оатис, Старши машинен инженер, Аризона САЩ

Превод: инж.Красимир Захариев, Консултант МКЕ,

Анализирането на фланцово съединение е относително сложна задача, поради необходимостта да се включи натягането на болтовете с определен въртящ момент. Това може да се постигне чрез предварителен термо-механичен анализ, при който определен елемент претърпява термично разширение и действа като натягащо звено, или чрез използването на допълнителни гранични условия (уравнения) между болта и фланеца, като се постигат еквивалентни деформации и вътрешни напрежения.

ANSYS предлага една по-добра възможност чрез използването на така наречените натягащи елементи, които позволяват директното въвеждане на зададените осови сили в болтовете. Този тип анализ е един много добър пример за функционалността на ANSYS Workbench и добрия потребителски интерфейс.

Едно от предизвикателствата е дефинирането на болтово натягане върху т. н. мидообразни цилиндрични повърхности, т.е повърхност, получена при импонирането на обекти от външни програми като например Pro/ENGINEER или SolidWorks. Ако и двете повърхнини бъдат селектирани при задаването на параметрите знака ‘?’ ще се появи до „Bolt Load” гранично условие, което ще предотврати изпълнението на анализа.

Нека се запознаем с механизма на работа на командата в ANSYS. Първо, дискретизираният обем се разделя на две половини от командата PSMESH. След това, на границата между двата обема се добавят елементи, чрез които се контролира взаимното положение на граничните повърхности.

Селектираните повърхнини служат за определяне на делителната равнина на командата PSMESH. Това означава, че само един от полуцилиндрите е напълно достатъчен за правилното дефиниране на проблема. Програмата ще разположи натягащите елементи по средата на цилиндъра и ще ги ориентира перпендикулярно на оста му (Фигура 1).

Фигура 1. Натягащите елементи автоматично се разполагат по средата на цилиндричната повърхност

Фигура 2. Прецизно контролиране на натягащото сечение на болта

В някои случаи се налага по-прецизното контролиране на разположението на натягащото сечение в тялото на болта. Тогава се селектира целия обем (Фигура 2). Освен това е нужно да се дефинира спомагателна координатна система, която да определи положението и посоката на натягащото усилие. XY – равнината определя делителната равнина за командата PSMESH, а Z - оста на направлението на силата. Също така не е задължително центърът на координатата система да бъде разположен в обемното пространство на болта.

Ако сравним резултатите от анализите, проведени чрез повърхнинно и обемно дефиниране на натягащото сечение ще установим, че те са абсолютно идентични, както е видно от Фигура 3. Това е разбираемо поради факта, че и двете натягащи сечения са разположени еднакво.

Фигура 3. Резултати от метода на повърхнинно и обемно дефиниране на натягащото сечение                                 

Фигура 3. Резултати от метода на повърхнинно и обемно дефиниране на натягащото сечение

Обемно координатното дефиниране на натягащото сечение е добър начин да се валидира повърхнинният метод. Освен това, този метод е много полезен в ситуации, при които тялото на болта е по-дълъг от дебелината на фланеца, т. е. средата на болта е извън работната му дължина.

При използването на ANSYS Design Modeler автоматично се създават цилиндрични тела, които имат цялостна цилиндрична повърхност. Този продукт също така предлага възможност за почистване/адаптиране на импортираните обекти. Например, мидообразна цилиндрична повърхност може да се превърне в едно цяло чрез командата “Face Delete” (Menu Create > Face Delete). Въпреки, че това не е необходима стъпка, тя позволява да се опрости геометрията на обекта, както е показано на Фигура 4. Малката разлика в резултатите на вътрешните напрежения между Фигура 3 и Фигура 4 частично може да се дължи на различието при дискретизирането на обема в двата случая. Подобно третиране на цилиндричната повърхност може да се извърши и директно в симулационния модул,  като се дефинира т. н. “Virtual Cell” (виртуална клетка), съставена от двата полуцилиндъра, но тази функция не подържа използването на натягащи сечения.

При сравняването на двата модела - мидообразен цилиндър и цял цилиндър, установените малки разлики в резултатите са в областта на контакта на болтовата глава с фланеца, който е дефиниран като монолитно съединение. Както може да се види в Таблица 1 разликата в граничното деформационно условие в натягащото сечение е по-малка от 0,06 %.

Моделирането на болтови съединения е много улеснено чрез използването на гладки (нерезбонарязани) цилиндрични повърхнини. Комбинирането на болтовия анализ с автоматичния синтез на контактните гранични условия и многообразните похвати за контрол на дискретизирането на модела дава възможност за бързо и интуитивно постигане на резултати с ANSYS Workbench.

Фигура 4. Цилиндричната повърхнина, третирана като цяла повърхност в Design Modeler, дава близки резултати до тези от фиг. 3 

Таблица 1 - Разлика в граничното деформационно условие в натягащото сечение