基于流体动力学的弯管应力有限元分析

　　对弯管进行准确的应力分析,存在以下困难:(1)弯管内流体压力分布极不均匀;(2)弯管和流体之间产生接触应力,要考虑边界的非线性;(3) 弯管的几何形状复杂,工程中所用弯管一般由直管弯制而成,弯管截面存在一定的椭圆度,且外侧壁厚受拉变薄,内侧受压增厚,弯管壁厚不均匀;(4)弯管弯曲 和变形能力比较强,不仅可用来满足空间设计上的需要,还可起到安装位置的调节,补偿管道热胀冷缩所产生的各种位移的作用,但这些位移使弯管产生附加弯矩。 传统的弯管应力分析方法都需要做出一些简化假设,无法进行准确的应力分析,因而计算结果与实际情况出入较大。随着计算机技术的发展,应用大型有限元软件进 行比较复杂的结构应力分析也成为可能。文中主要讨论使用ANSYS有限元分析软件,建立弯管内流体动力学分析和结构应力分析模型,数值模拟分析弯管的受力 状况及边界条件,对弯管进行三维非线性应力分析,同时探讨了弯管结构、流体流量参数对弯管应力的影响。

　　1　建立有限元模型

　　1.1　创建模型

　　考虑到该模型在结构、外载及所受约束上都为对称结构,因而为了尽量减少计算量,在弯管结构建模上采取简化的形式,只构造出弯管的一半。考虑到弯 管结构复杂,ANSYS的实体造型有限,弯管内流体动力学分析模型和弯管结构应力分析模型,分别在三维实体造型软件Pro/E中创建,然后通过数据接口输 入ANSYS中。

　　1.2　网格划分

　　弯管内流体动力学分析模型,选用Floud142三维流体单元模型。在划分网格时,由于管内流体多为湍流,且与管壁附近梯度较大,所以,管壁区 域的网格密度适当作了调整;弯管结构应力分析采用Solid186(20节点各向同性等参数实体单元)网格。流体动力学分析和弯管结构应力分析均采用映射 网格划分,计算模型的网格划分见图1所示。

　　1.3　边界条件处理和载荷情况

　　流体动力学分析边界条件和载荷,包括入口、出口、液体和管壁的接触三部分。弯管入口处流体具有一定的流速和流压;弯管出口处压力由于弯管压力损失比入口处小;管内流体与管壁的接触处,流体采用无滑移流动。关于管壁变形对流体的影响,由于这一变形很小,忽略不计。

　　弯管结构应力分析的边界条件,首先在弯管两端施加固定约束,以限制弯管的刚体位移;在弯管对称边界上施加对称约束。弯管载荷包括弯管内壁来自流体的压力和两端的附加弯矩。

　　1.4　输入材料参数

　　管内流体的粘度、密度均为常数,粘度μ=0.01 Pa·s,密度ρ=1 kg/m3,流体的雷诺数:

　　式中:v———流速;