1 前言

　　本文作者自1995 年7月開始學習應用ANSYS ，迄今已有13 年。這些年來，應用ANSYS 解決了不少工程實際設計問題。典型工程應用有：1)2000 年，與一重集團合作的核電筒體翻管鍛造成形數(shù)值模擬。該問題采用ANSYS/LSDYNA 進行了核電筒體接管鍛造成形過程的三維數(shù)值模擬;2)1999 年，應用于戴卡轎車輪轂制作公司的輪轂疲勞壽命有限元預測。該問題采用ANSYS 進行了轎車輪轂彎曲疲勞分析;3)2000 年，應用于北京北開電氣公司的8KA 真空開關溫度場有限元分析及其結(jié)構(gòu)設計。該問題采用ANSYS 進行了真空開關三維熱電耦合分析。下面僅以這三個實例進行簡要介紹。

　　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度是核電筒體設計和制造的關鍵。焊接管強度問題一直困擾著核電筒體的設計。由于壓力容器焊接管對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制造蒸汽發(fā)生器封頭。1999 年與第一重型集團合作項目“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，對鍛造接管成形過程進行數(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，在此基礎上確定模具尺寸, 并利用自主開發(fā)的基于監(jiān)控技術的約束變尺度法優(yōu)化程序OPTIII 進行鍛造接管成形過程的優(yōu)化計算，以獲得筒體預開孔直徑最優(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)，設計了鍛造接管成形試驗模具。試驗用圓柱筒體材料為鉛，筒體外直徑Φ250mm ，高200mm ，管厚20mm ，筒體預開孔直徑為Φ12.5mm 。試驗在315 噸液壓機上進行。圖2 所示為試驗件結(jié)果掃描圖。圖3 為翻管試驗結(jié)果掃描圖。實測結(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有限元計算接果與試驗結(jié)果相比，接管高度誤差：

　　可見，有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果相當吻合，試驗一次成功。最后，值得一提的是，第一重型機械集團公司利用這套模具以鋼質(zhì)毛坯進行了同樣的試驗，也獲得了成功。

　　3 轎車輪轂彎曲疲勞試驗分析

　　未考慮螺栓連接的轎車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計開發(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，并與以前開發(fā)的未考慮螺栓連接的輪轂彎曲疲勞有限元模型進行了比較。計算結(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地反映輪轂螺栓孔附近的應力狀態(tài)，因而可以用來預測輪轂螺栓孔附近區(qū)域疲勞失效情況。

　　3.1 計算模型

　　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系，忽略摩擦的影響。考慮到對稱性，僅需建立二分之一模型(圖4)。輪轂劃分為72763個單元，19169 個節(jié)點。加載桿劃分為16510個單元， 7509個節(jié)點。螺栓劃分為11475個單元，12265個節(jié)點。整個有限元模型(圖5)的單元總數(shù)為100748個，節(jié)點總數(shù)為38943 個。邊界條件和加載情況見圖6。施加在加載桿上的力載荷為3908.65N 。對稱面上施加對稱約束。輪輞裝夾部位施加固定約束。

　　3.2 無螺栓結(jié)果

　　圖7 輪轂等效應力分布圖(無螺栓)

　　為了比較有無螺栓的區(qū)別，本文首先對沒有考慮螺栓的模型進行了有限元分析。這種模型沒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 給出了無螺栓模型等效應力分布圖。由該圖可見，最大等效應力值為110MPa，在輪輻部位。

　　3.3 有螺栓結(jié)果

　　圖8 輪轂等效應力分布圖(有螺栓)

　　圖8 給出了有螺栓模型等效應力分布圖。由該圖可見，最大等效應力值為212MPa，在螺栓孔附近。對比圖7 和圖8 可知，無螺栓模型不能真實地反映出螺栓孔附近的應力分布情況。而這種型號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計算。

　　3.4 小結(jié)

　　無螺栓模型不能真實地反映出螺栓孔附近的應力分布情況。有螺栓模型能夠較為真實地計算出螺栓孔附近的應力分布，因而可以用來設計這種在螺栓孔部位發(fā)生疲勞失效的輪轂。計算出輪轂在彎曲疲勞試驗工況下的應力應變場之后，就可以利用ANSYS 的疲勞分析模塊進行疲勞壽命預測。

　　4 80KA 真空開關溫度場有限元分析及結(jié)構(gòu)設計

　　本課題為2000 年2 月-4 月間與北京北開電氣股份有限公司合作的一個項目“80KA 真空斷路器溫度場有限元分析及結(jié)構(gòu)設計”，該項目要求設計額定短路開斷電流為80KA ，額定電壓為12KV，額定電流為6300A 的真空斷路器。該問題為多物體熱接觸問題，為了準確確定邊界條件，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數(shù)據(jù)，進行溫度場有限元分析，從而確定邊界條件，在此基礎上進行新產(chǎn)品設計。

　　4.1 溫度場有限元分析

　　圖9 為63KA 真空斷路器有限元模型圖。圖10為其溫度場有限元計算結(jié)果圖。圖11 為新設計的80KA 真空斷路器溫度場有限元計算結(jié)果圖。圖12 為新產(chǎn)品最終設計產(chǎn)品圖，該照片來自北京北開電氣股份有限公司網(wǎng)頁。

　　圖9有限元模型圖　　

　　圖10 63KA 真空斷路器溫度場

　　圖11 80KA 真空斷路器溫度場　　

　　圖12 ZN105-12/T6300-80發(fā)電機真空斷路器

　　5 結(jié)論

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