基于CAE技术的聚氨酯复合管内衬应力研究

2013-12-12宫纪明杨玉梅杨丽洁

巢湖学院学报 2013年3期

宫纪明杨玉梅杨丽洁

（1淮北职业技术学院计算机科学技术系，安徽淮北 235000）（2安徽矿业职业技术学院机械工程系，安徽淮北 235000）

矿山、煤矿对高耐磨、高弹性、高强度的非金属材料需求十分迫切。据统计，目前开采1t矿石至少要消耗lkg钢铁，实际上是在用钢铁换矿石。聚氨酯弹性体具有优异的性能，是比较符合矿山要求的非金属材料，用以取代部分金属材料是完全必要的[1]。

许多矿山设备需要耐磨的衬里，聚氨酯弹性体衬里的厚度薄、耐磨性强、弹性好、防腐好、使用寿命长、耐水解老化和抗机械冲击等，国内很多矿山都使用聚氨酯复合管。聚氨酯的内衬弹性很好，在受到介质冲击时，内衬在载荷作用下压缩，没有载荷作用时，内衬可以恢复原状，这个特点大大减轻了介质对管道内壁的直接强烈冲击造成的磨损，它的耐磨寿命是钢管的几十倍。

1 计算机辅助工程技术

计算机辅助工程技术（CAE—Computer Aided Engineering）是以现代计算力学为基础，以计算力学中的边界元、有限元、结构优化设计及模态分析等方法为理论基础的新技术。它把工程实践的各个环节有机地组织起来，将有关信息集成并且优化运行，它是是信息化的核心，是现代工程和制造业创新的关键手段，它在实现创新的同时，提高了设计质量，降低了研究开发成本，缩短了研究开发周期[2]。

有限元分析软件（ANSYS）是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用软件，它是典型的计算机辅助工程软件。它主要包括三个部分：前处理模块、求解模块和后处理模块，前处理模块提供一个强大的实体建模和网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；求解模块可对各种加载进行求解，模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析和优化分析能力；后处理模块提供可对结果进行有效分析的工具，从而简化最后的数据处理和结果分析，缩短设计周期[3]。

随着计算机技术的快速发展，计算机辅助工程技术已经在各个行业得到广泛的应用，但是在聚氨酯弹性体制品方面的研究还很少。本文通过计算机辅助工程的典型有限元分析软件对聚氨酯复合管的内衬进行应力分析，该方法有效可靠。

2 聚氨酯复合管内衬的有限元分析

2.1 建立聚氨酯复合管内衬的模型

有限元分析过程有建模、计算和后处理三个阶段，建立有限元模型是整个有限分析过程的关键。下面使用有限元分析软件对聚氨酯复合管的内衬建立有限元模型，以DN100的聚氨酯复合管为例，聚氨酯内衬的外径为0.05m；内径为0.045m；壁厚为0.005m。依据聚氨酯内衬的试验载荷为4.0MPa，弹性模量为 26MPa、泊松比为 0.476，研究内衬内表面承受压力载荷的作用时，内衬的应力场分布情况。

有限元分析软件有直接建模、实体建模、从计算机辅助设计软件（CAD-Computer Aided Design）中导入实体模型和从计算机辅助设计软件中导入有限元模型四种建模方法。直接建模是在显示窗口直接建立节点和单元，模型中没有实体出现；实体建模是先创建几何模型，再进行网格划分，生成节点和单元，最后建立有限元模型；从CAD导入实体模型是将CAD实体模型导入Ansys进行分析；从CAD导入有限元模型是将CAD有限元模型导入Ansys进行分析[4]。Ansys提供了相加、相减、相交、分割、延伸、旋转、复制和移动等功能建立复杂的实体模型[5]，本例对聚氨酯内衬模型进行实体建模。

ANSYS软件有两种实体建模的方法，即自底向上的建模方法和自顶而下的建模方法。自底向上的建模法是用户先定义关键点，然后是相应的线、面和体；自顶而下的建模法是用户定义一个模型的基元，程序会自动定义相关的面、线和关键点，用户利用这些高级图元直接构造几何模型。聚氨酯内衬模型采用的是自顶而下的实体建模的方法，生成的几何模型如图1所示。

图1 几何模型

2.2 网格的划分

模型建立后，要进行网格划分。采用有限元法进行结构分析，首先需要将所研究的结构进行离散化，所谓离散化即用有限多个的单元在有限多个节点上相互连接，形成离散结构物，也就是把对连续弹塑性体的分析转变为对离散结构的分析。这些单元仅在节点处连接，单元之间的荷载也仅由节点传递，连续体的离散化又称为网格化分。首先建立好几何模型，选择好单元，然后输入各种材料属性后即可进行网格划分。划分网格对生成的有限模型的准确性和经济型有决定性的影响。网格划分包括对网格划分形状、网格密度，划分形式的选取[6]。

根据模型的对称性，选择聚氨酯内衬横截面建立几何模型。使用PLANE82单元进行求解，PLANE82单元为二维八节点结构实体单元，每个节点上有X和Y两个自由度，该单元能被用来作为一个平面单元或是作为一个轴对称单元，具有一致位移形状函数，能很好地适应曲线边界，该单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力。网格划分结果如图2所示。

2.3 有限元分析

图2 内衬网格模型

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统，是一种在力学模型上进行近似数值计算的方法，实际上是把无限个自由度问题化为有限个自由度的问题，有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元分析的目的是几何模型对施加载荷的响应。

本例的聚氨酯内衬几何模型受到外压、内压、支撑力和重力几中载荷的影响，在矿山中，聚氨酯复合管主要用于矿浆和水沙的输送，在此考虑内压的影响，在内壁施加4.0MPa的载荷对聚氨酯内衬几何模型在节点上施加压力载荷，并对所选节点X方向和Y方向的位移进行约束，利用求解器进行求解计算后，得到分析结果如图3、图4、图5和图6所示。

图3 位移场等值线图

图4 X方向应力等值线图

图5 Y方向应力等值线图

图6 等效应力等值线图

2.4 结果分析

应力分析图中应力大小采用不同颜色来表示，红色表示应力值最大，蓝色表示应力值最小，从图3中可以看出应力值最大出现在内壁处，最大位移0.055872m，最小位移0.050727m 。从图4看X方向最大应力0.381E+08Pa，最小应力0.404E+07Pa。从图5看Y方向最大应力0.381E+0 8Pa，最小应力0.404E+07Pa。从图5看最大等效应力位于内壁处，应力值为0.365E+08Pa，最小等效应力位于最外部，应力值为0.296E+08Pa。该结果符合实际应用。