基于ANSYS WorkBench大型复合材料罐体结构有限元分析

1前言
    ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/En-gineer,NASTRAN,Auto(,AD等，其10. 0新版本整合了一流的应力分析和流体分析技术，创建了建模、仿真、分析、前后处理的一系列无缝链接。在机械应用领域，10. 0包括了ANSYS Workbench下全部的热瞬态分析功能，这不仅帮助用户进行非常复杂的时域仿真，同时ANSYS Workbench也可自动完成很多建模和求解工作。
    传统结构有限元模拟分析的基本流程如图1所示。这种结构应力分析的标准过程是根据设计条件，用解析计算方法或根据经验值确定初始结构尺寸，按照该结构尺寸，用有限元程序建模、求解，再对得出的应力、刚度分析结果进行强度评定。如果评定不合格则根据设计者的经验对初始尺寸进行修改，然后再次建模、求解，进行强度评定，如此反复，直至结果评定合格为止。存在设计周期长、需要进行工程试验来弥补求解的离散性等方面的不足。
    日益激烈的市场竞争已使工业产品的设计与生产厂家越来越清楚地意识到，能比别人更快地推出优秀的新产品，就能占领更多的市场。为此，CAE方法作为能缩短产品开发周期的得力工具，被越来越频繁地引人了产品的设计与生产的各个环节，以提高产品的竞争力。应用基于协同结构设计优化法进行结构强度、刚度分析设计与以往的标准方法相比，具有设计周期短、设计人员工作工作量小、结构‘各部分结构尺寸通过优化方法确定、有利于避免材料的浪费等优点。
    采用ANSYS Workbench进行集成开发的技术方案其关键优势为：
    （1）利用Workbench的双向CAD数据接口实现强度与结构设计间模型与数据协同是其它仿真软件不具备的。
    （2）无须脚本，模型修改后进行仿真分析结果的更新充分利用了Workbench面向对象的技术优势。
    （3）设计模板及强度分析流程的定制充分体现了Workbench开放架构的技术特点，定制过程简单、界面友好。
    ( 4) Workbench项目方式的数据管理功能和与PDM的接口实现模型与数据的统一管理是其它仿真软件不具备的。

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    树脂基复合材料因具有高比强度、高比模量以及可设计性强等许多优异的特性，其应用领域随着成型工艺的完善也在日益拓宽。提高复合材料结构效率不能单纯地依靠提高纤维性能，更重要的是要加强计算分析、工艺技术等方面的研究，从而提高复合材料结构的结构效率，纤维缠绕加筋结构是能够充分发挥纤维强度、刚度的典型结构，其结构的先进性受到设计人员的广泛关注。
    2 ANSYS Workbench结构计算
    利用ANSYS Workbench协同设计集成优化分析环境，针对大型薄壁壳体结构承受的轴向载荷进行静力分析和结构屈曲分析。对于其有限元网格划分采用实体单元进行分析。对于结构的静力分析，可取对称分析。
    2.1建模依据

    按照主要结构特点等实物特征，建立三维实体模型。
    计算中所使用了实体建模，采用solid45#单元。
    受力（15t载重＋St车重＝ZOt外部载荷）主要是靠土介质传递给池体，所以建立的该池的四周土壤模型。
    该池具有对称结构，采用了对称算法。
2.2计算条件
    计算单元：solid45，接触单元为实体接触单元contact170, contact174.土体为夯土，线弹性E＝2. 5e8Pa;泊松比V＝0.45；密度＝2100k g/m²；粘聚力C＝19，摩擦角＝32°；膨胀角30°。

    车载等效压力载荷（车轮的作用面积等效为长轴0.25，短轴0.15的椭圆，面积为0. 118m2）20t的力转换为压力为1. 698 MPa 。 [-page-]
2.3计算内容
    静力学分析和特征屈曲分析，为了减小计算量，先要明确在车轮运动中什么地点处受力大，因此在计算前做了准备性计算，车轮单轮在模型面上运动，20t力通过0.118m²扩作用到模型上要比20t力通过两个车轮2 x O. 118m²时要大，因此先计算单轮的情况，在距池的中心4m，lm,0. 5m处进行了计算。
2. 3. 1 4m时的受力情况

    从以上各图可以看出，无论是平均应力还是剪应力都存上升趋势，所以在单轮计算的基础上，双轮仅在0. 5m处计算即可。 [-page-]
2. 3. 4 0. 5 m时的双轮受力情况攀
    比较单轮与双轮的计算结果发现，在总受力城2Ot定值时，双轮与单轮的受力大小基本相当，而且都比较小，均能满足使用要求。单从应力和变形来看安全系数都在15倍以上，能满足使用要求。

2. 4开多孔结构分析
    由于使用要求，需在壳体上开口，根据实际经验及计算，在设计过程中尽量采用正方形和圆形开口，避免长方形和椭圆形开口。开口特征同时加剧了应力的集中，减小了该结构的承载能力和稳定性。

    大环向拉应力为33. 9MPa，大环向压应力为33．8MPa。
    大轴向拉应力为14. 2MPa，大轴向压应力为12. 4MPa。
      大拉应变为.0875%，大压应变为0.0861％。
4结语
    本文利用ANSYS Workbench协同优化设计分析CAE环境，对大型薄壁整体复合材料壳体结构的不同结构设计状态下的静强度和屈曲稳定性进行了比较系统的分析。并结合实例进行了说明，该复合材料结构系统分析结果为水处理罐体系列产品的结构设计与制造工艺可提供较好的参考借鉴作用。
    两种计算方法的计算结果基本一致，但是采用ANSYSWorkbench协同优化设计分析更为简洁有效。