2022年基于ANSYS厚壁圆筒的弹塑性应力分析.docx

2022年基于ANSYS厚壁圆筒的弹塑性应力分析 本文采纳通用有限元分析软件ANSYS,对厚壁圆筒进行极限应力分析，就其工程应用意义上来说是很重要的[1][2] 2问题描述及解析解 图1所示为钢制厚壁圆筒，其内径=50mm,外径=101mm,作用在内孔上的压力=375MPa,无轴向压力，轴向长度视为无穷材料的屈服极限=500MPa，无强化，弹性模量E=206GPa,泊松比=0.3 图1厚壁圆筒问题 依据材料力学的学问，此时圆筒内部已发生屈服，依据VonMises屈服条件，弹性性区分界面半径可由下式计算得到【3】[5] 将上式中的个参数的值代入，可解出=0.08m 则加载时，厚壁圆筒的应力分布为 弹性区 塑性区 将两式代入数值，可得，，处切向应力分别为202MPa、473MPa、369MPa 弹性区 塑性区 将两式代入数值，可得，，处的残余应力分别为-422MPa、153MPa、119MPa 3厚壁圆筒的有限元分析 3.1有限元模型的建立 将圆筒简化为平面应变问题，同时为削减节点和单元数量以加快计算速度，利用几何模型和载荷的匀称对称性，故选取圆筒截面的四分之一建立几何模型进行求解[4][6]，简化后几何模型如图2所示： 图2简化几何模型 3.2网格划分 建立几何模型后，须要对其进行单元划分，单元的选取和划分特别重要，它关系到求解的收敛性和精确性。

在单元类型上本计算采纳PLANE183单元，这种单元是2维8节点单元，每个节点有2个自由度，分别为x和y方向的平移本单元既可用作平面单元(平面应力、平面应变和广义平面应变)，也可用作轴对称单元它具有塑性、蠕变、应力刚度、大变形及大应变的实力采纳映射网格划分，选择单元形态为四边形，有限元模型如图3所示： 图3映射网格划分 3.3边界条件与载荷 本计算是在笛卡尔坐标系下建立的模型，在模型1/4边界线处节点上施加垂直和水平的固定约束，通过两个载荷步在内壁节点施加均布载荷，施加第一个载荷步的载荷为375Mpa,施加第一个载荷步的载荷为0，如图4，5所示： 图4载荷步一 图5载荷步二 3．4结果显示 从结果中读取第一载荷步结果，用等高线显示圆筒VonMises应力，如图6所示： 图6加载时圆筒VonMises应力 从图中可以看出，圆筒内部材料已经发生屈服 由内向外向外依次拾取与x轴平行的水平直线边上的全部节点，定义路径，将数据映射到路径上，作出路径图，如图7所示： 图7路径计算应力结果图 图7所示的路径图是径向应力和切向应力关于半径的分布曲线。

图中横轴为径向尺寸,纵轴为应力,横轴的零点对应着厚壁圆筒的内径，横轴坐标为对应着厚壁圆筒的外径 卸载后，此时内压为零，圆筒残余应力云图如图8所示： 图8卸载后圆筒VonMises应力 而径向残余应力和切向残余应力随半径的分布状况如图9所示： 图9路径计算应力结果图 通过对比分析厚壁圆筒处于工作压力条件下沿其半径方向力分布图,延半径方向选取，，三处，通过对比解析法分析和有限元分析求解所得径向和切向应力值，差异不大,其最大相对误差仅为3.8%，理论计算值与试验值基本吻合,从而验证了厚壁圆筒结构理论分析的正确性对比分析如下表10所示： 径向应力 切向应力 解析解 MPa 数值解 MPa 相对误差 解析解MPa 数值解MPa 相对误差% -375 -368 1.9% 202 209 3.5% 0 0 0 473 473 0.4% -104 -108 3.8% 369 373 0.2% 表10厚壁圆筒应力计算理论值与实测值结果 4小结 本文采纳通用有限元分析软件ANSYS，对厚壁薄壁圆管在内压下的响应问题进行初步探讨，通过有限元分析来直观反映厚壁圆筒沿其半径方向的应力分析规律，并结合经典理论公式，证明用ANSYS求解的正确性，以此来验证厚壁圆筒结构理论分析的正确性，并为工程设计供应理论依据。

参考文献：[1]陶春达,战人瑞.冲击内压作用下厚壁圆筒弹性动力分析[J].西南石油学院学报,2000,(02)[2]冯剑军,张俊彦,张平,谭援强,韩利芬.在困难应力状态下厚壁圆筒的极限分析[J].工程力学,2004,(05)[3]高耀东，郭喜平.ANSYS机械工程应用25例[M].电子工业出版社,2022[4]张朝辉．ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析[M]．北京：机械工业出版社，2022．[5]冯剑军，张俊彦，张平，韩利芬.基于双剪统一理论的厚壁圆筒塑性极限载荷分析，2004[6]刘海生,郭子利,王会刚.烧结机压料装置中轴压厚壁圆筒有限元分析[J].机械设计与制造,2022,(07) 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页。