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设计
补强圈与壳体接触特性的有限元分析
赵吉星,丁立人,刘小宁
(中国科学院强磁场科学中心,安徽合肥230031)
摘要:采用 ANSYS软件的非线性分析方法,模拟分析了补强圈与売体之间的接触行为。以一个水
冷磁体容器开孔补强设计为例,分析补强圈与壳体在不同内压下,接触间隙对接触应力与最大应力
的影响;同时采用间接的热一结构耦合分析方法,分析了接触间隙对热应力的影响,并对不同温度
下,接触间隙对热应力的影响进行了探讨。
关键词:非线性分析;接触间隙;间接耦合;热应力
中图分类号:0241.82文献标识码:A文章编号:1001-4837(2010)07-0022-05
doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2010.07.005
Finite Element Analysis of Contact Behavior between Reinforcement
Pad and Vessel Shell
ZHAO Ji-xing, DING Li-ren, LIU Xiao-ning
(High Magnetic Field Iaboratory, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)
Abstract: The contact behavior between the reinforcement pad and the vessel shell was analyzed with
nonlinear method of the software ANSYS. The opening reinforcement design of a water-cooled magnet
vessel was studied that how contact gaps influenced contact stress and maximum stress, when the rein-
forcement pad and the vessel shell was under different pressure. It was also analyzed that how contact
gaps impact on thermal stress based on the indirect thermal- structure coupling method. And the impac
of contact gaps on thermal stress was researched under different temperature
Key words: nonlinear analysis; contact gap; indirect coupling; thermal stress
力
0引言
随着计算机技术与有限元理论的不断成熟与
发展,模拟分析补强圈与壳体的接触行为成为了
对压力容器开孔补强结构进行分析与设计可能。文献[1-2]利用有限元技术分析有接触
时,一直采用经典的薄壳理论,在接管、补强圈与与无接触情况下补强圈应力场的分布,并与试验
容器壳体的连接处建立变形协调条件及力的平衡结果进行了对比,同时对壳体与补强圈之间的间
方程,求解连接处的位移与应力。在求解过程中,隙量和开孔率对接触的影响进行了探讨。文献
假设补强圈与筒体间没有相对的位移与转角,同[3]采用非线性有限元技术模拟了纵向弯矩作用
时也不考虑它们之间的接触。然而实际结构中筒下补强圈与圆柱壳体之间的接触行为,同时还分
体与补强圈是相互接触的,它们之间存在接触应析了不同的间隙量与开孔率对接触压力的影响
CPVT
补强圈与壳体接触特性的有限元分析
Vol27.No72010
表2间隙对接触特性的影响(P=3MPa
间隙/mm
0.4
0.5
0.6
0.8
1.0
最大应力/MPa
200.68
201.112
201.545
201.974
202.402
203.209204.063
最大接触应力/MPa』4.608
5.918
7.341
8,758
10.366
14.915
16.069
注:沪=3MPa无接触时最大应力为200.558MPa
表3间隙对接触特性的影响(p=5MPa)
间隙/mn
0.3
0.4
0.6
1.0
最大应力/MP
330.402
333,129
333.849
332.565
333.279
334.654
336.05
最大接触应力/MPa6.312.676
9.13
10.601
2.092
8.921
19.094
注:p=5MPa无接触时最大应力为326.868MPa。
表中无接触指的是筒体和补强閤建模时无间
隙。在相同内压下,由于无接触壁厚大于有接触
ANSYS 10.0
MAK 17 2010
的壁厚,因此,其受到的最大应力要小。表1中无
DAL SOLUT【oN
STEP=1
B=25
接触的最大应力为68.774MPa,大于最小间隙的
Ma=IO
(AYG)
Powergraphica
最大应力68.016MPa,这主要是分析中采用了两
EFACET
AVROSAMRT
种模型,模型误差导致计算精度上的差异,但是随
DMX=,48289
着压力的增大,如p=3,5MPa时,接触间隙对最
850
大应力的影响大于模型误差对最大应力的影响,
二
正如表2与表3中的数据,接触模型中最小间隙
的最大应力大于无接触模型的最大应力。
?r
从以上的分析结果可知,有接触与无接触时,
最大总应力相差不大;在内压一定时,随着间隙的
图3无间隙热应力图
增大,最大总应力增加不大,最大接触应力明显增
ANSYS 10.0
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加,达到最大值之后有减小的趋势;在间隙一定
NODAL SOLUTION
时,最大的接触应力随着内压的增大而增大。
SUB=I00
(AVGH
2.2热载荷作用下间隙对热应力的影响
A VRES=MI
容器中的流体并不一定都是常温,有时处于
DMX=,483758
高温,因而容器将受到热应力的作用。以水冷磁
体容器开孔补强设计为例,304钢的导热系数λ
=70W/(m?℃),热膨胀系数B=1.8x10-3
243
5.79
C,内部流体的对流传热系数b=200W/(m
℃),温度7=80℃,容器外表面的空气对流传
图4间隙gap=0.2mm热应力图
热系数b=12.5W/(m2?℃),温度72=20℃,
NSYS 10.0
内压P=3MPa。采用热与结构间接耦合分析方
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NODAL SOLUTION
法,求得无间隙与不同间隙下热应力和总应力的
STEP=n
云图见图3~-10(为了简化分析,以下所有的热分