接管弯矩作用下补强圈与容器壳体间的接触特性

　　工程构件复杂的几何尺寸及变化的工作环境,给接触问题的研究带来很大的困难。Gladwell[1]论述了经典弹性理论的接触问题,Johnson[2]和Kalk-er[3]对接触问题已有的分析解作了综述,这些分析解局限于简单形状的物体,其解的应用相当有限。有限元法在接触问题中的应用始于20世纪70年代初,Wilson和Parson[4]首先研究了二维弹性无摩擦接触问题的有限元解法。近20多年来随着计算方法和计算机硬件的发展,有限元法已经为接触问题的分析与研究提供了强有力的手段。本文采用ANSYS软件对承受弯矩的正交接管的补强圈和壳体间的接触行为进行模拟,叙述了壳体和补强圈间接触变形、接触压力的规律,并讨论了接触刚度和间隙对接触的影响。

　　1　分析模型

　　1·1　模型结构及尺寸

　　对于承受外载荷的开孔补强结构,由容器筒体、接管、补强圈、筒体两端的法兰以及焊接在接管上的加载凸耳组成(图1),补强圈的外径为2倍的接管外径,厚度与筒体厚度相等,这与工程上所采用的结构尺寸相同。

　　1·2　材料及其性能

　　分析模型所用的材料壳体为Q235-A,接管为20钢,其机械性能如表1所示。

　　为了考察不同外径和壁厚的接管对接触的影响,分别对具有不同几何尺寸的3种计算模型进行了分析,见表2。

　　1·3　模型建立和网格划分

　　1·3·1　载荷及边界条件

　　容器壳体一端固支,另一端自由;接管承受沿着容器壳体周向的弯矩。

　　1·3·2　网格划分

　　由于载荷和边界条件不存在对称性,不可能建立对称模型,这样计算的工作量将会很大,因此网格划分应该有疏密之分。对于接管-壳体相贯区(应力集中区和塑性变形区),网格划分较密;相反对于大部分弹性变形区和非应力集中区,网格划分较疏,这样既保证精度,又节省机时。根据以上原则,图2为J1模型的网格划分图,选用三维实体单元soild45。

　　1·3·3　接触单元的选取

　　ANSYS支持3种接触方式:点-点,点-面,面-面,每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。

　　接触单元是覆盖在分析模型接触面上的一层单元,ANSYS支持刚体-柔体的面-面的接触单元,刚性面被当作“目标”面,分别用Targe169和Targe170来模拟二维和三维的“目标”面;柔性体的表面被当作“接触”面,用Conta171,Conta172,Conta173,Conta174来模拟。本算例中,我们选用三维8 node面-面接触单元target170和contact174。

　　2　加载方法

　　为了精确的模拟补强圈与壳体之间的接触变化,我们采用ANSYS分布加载技术,定义合适的时间步长,时间步长必须足够描述适当的接触。如果时间步长太大,则迭代趋向于变得不稳定,同时接触力的光滑传递会被破坏,设置合适时间步长的可信赖的方法是打开自动时间步长。图3为J1模型的时间-载荷曲线。