DN100闸阀阀板计算报告

株洲南方阀门厂DN100闸阀阀板结构计算报告

1 有限元分析简介

有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是20世纪50年代首先在连续力学领域如飞机结构静动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快就广泛地用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。其利用数学近似的方法对真实的物理系统进行模拟，利用简单而又相互作用的元素形成有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

所谓“有限单元”就是在对对象进行变形和应力分析时将对象按参数单元划分成网格，网格间相互连接的交点称为节点，网格与网格的交界线称为边界。显然，节点数是有限的，单元数目也是有限的，所以称为“有限单元”。

有限单元法分析计算的思路和作法可归纳如下：

1．1 物体离散化

将某个工程结构离散为由各种连结单元组成的计算模型，称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来。单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质而定，描述变形形态要根据需要和计算精度而定。所以有限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同样的材料由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况符合。

1．2 单元特性分析

首先，选择未知量模式。在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化所以在有限单元法中位移法应用范围最广。

其次，分析单元的力学性质。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。

最后，计算等效节点力。物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递

到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力，体积力或集中力都需要等效地移到节点上去，也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。1．3 单元组集

利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程。

1．4 求解未知节点位移

求解有限元方程式得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。

通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是“一分一合”，分是为了进行单元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析。

2 ANSYS基本功能

ANSYS包括以下主要功能模块：

结构分析（包括静力分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析、特征屈曲分析和专项分析等）；

热分析（包括相变分析、内热源分析、热传导分析、热对流分析、热辐射分析等）；

电磁分析（包括静磁场分析、交变磁场分析、瞬态磁场分析、电场分析、高频电磁场分析等）；

流体分析（包括CFD分析、声学分析、容器内流体分析、流体动力学耦合分析等）；

耦合场分析（主要考虑两个或多个物理场之间的相互作用）。

3 ANSYS有限元求解的基本步骤

3．1 问题分析

在遇到一个分析问题时，通常要考虑该问题所在的学科领域，分析该问题所要达到的目标。制订分析方案是很重要的，它是对问题的总体把握。制订的分析方案的好坏直接影响分析的精度和成本，但通常情况下精度和成本是互相冲突

的，特别是分析较大规模和具有切割边界的模型时更为明显。因此，在实际中通常要考虑以下几点：

分析领域；

分析目标；

线形/非线形问题（材料非线性、几何非线性、稳定性等）；

静力/动力问题（模态与振型、谐响应、瞬态响应、响应谱、随机振动等）；

分析细节的考虑（是否进行优化设计、疲劳、子模型、子结构等）；

几何模型对称性。

3．2 建立有限元模型

3．2．1 创建实体模型

创建实体模型分为创建一维、二维和三维实体模型。体、面、线、关键点作为四类实体模型图元，它们的关系是从下到上的，而其层次关系则为关键点、线、面、体。如果低阶的图元连在高阶的图元上，则低阶图元不能删除。

（1）工作平面的创建与调整

ANSYS中的工作平面是一个可移动的参考平面，类似于“绘图板”。工作平面菜单中依次包含工作平面控制、移动工作平面和有关坐标系统的选项三部分。在工作平面中可进行工作平面辅助网格的设置、工作平面的捕捉以及工作平面的移动等相关操作。

（2）体素的创建

体素是指预先定义好的、具有共同形状的面或体。在ANSYS中可以很方便地创建体素。如果创建了一个矩形，就等于自动创建了9个图元：4个关键点，4条线，1个面。创建的面将位于工作平面内，定义取决于工作平面的坐标系。ANSYS 将自动对每个图元编号，方便以后的修改和设置工作。

（3）图元的绘制、编号及删除

图元是图形的单位，它与体素所不同的是，体素是规则的几何体，而图元可以是任意形状的。当多个图元同时在图形窗口中显示时，可以通过打开图元类型编号来区分它们，这些图元以不同的标号和颜色显示。需要在图形窗口拾取图元时，应该点取图形的热点确保拾取所需要的图元，这对于有多个图形重叠的情况非常重要。当删除图元时，ANSYS提供两种选择。可以只删除指定的图元，保留

这个图元所包含的低阶图元；也可以连这个图元包含的低阶图元一块删去。（4）布尔操作

有限元建模时要用到布尔操作，布尔操作是指几何图元进行组合计算。ANSYS 的布尔操作包括add，subtract，intersect，divide，glue，overlap等。它们不仅适用于简单的体素中的图元，也适用于从CAD系统传入的复杂几何模型。一个看起来复杂的模型，可以是几个简单的实体通过布尔操作的结果。

（5）单元属性

单元属性是指在划分网格以前必须指定的所分析对象的特征。这些特征主要包括材料属性、单元类型、实常数等。ANSYS分析中的单位制将影响输入的实体模型尺寸、材料属性、实常数以及载荷等。除了磁场分析以外，用户通常不需要告诉ANSYS使用的是什么单位制，只需要自己决定使用何种单位制，然后确保所有输入的值的单位制保持统一即可。因为ANSYS读入输入的数值，并不检验单位制是否正确。与此同时，ANSYS所有的分析都需要输入材料属性。如在结构分析中要输入材料的杨氏模量，在热分析中要输入材料的导热系数等。

3．2．2 对实体模型进行网格划分

模型建立之后，需要划分网格，这主要涉及到以下四个方面：

选择单元属性；

设定网格尺寸控制；

网格划分以前保存数据库；

执行网格划分。

如果没有对网格进行任何控制，ANSYS将使用默认设置。但ANSYS网格划分中也有许多不同的单元尺寸控制方式，如智能划分、总体单元尺寸划分、指定线上的单元分割数及间距控制、给定关键点附近的单元尺寸控制、层网格划分以及网格细化等。

分网阶段有时需要修正模型，要清除网格，这意味着删除节点和单元。要清除网格，必须知道节点和单元与图元的层次关系。通常按照以下几步进行：清除要修正的模型的节点和单元；

删除实体模型图元；

创建新的实体模型代替旧模型；