基于ANSYS WorkBench大型復合材料罐體結構有限元分析

1前言
    ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，如Pro/En-gineer,NASTRAN,Auto(,AD等，其10. 0新版本整合了一流的應力分析和流體分析技術，創建了建模、仿真、分析、前后處理的一系列無縫鏈接。在機械應用領域，10. 0包括了ANSYS Workbench下全部的熱瞬態分析功能，這不僅幫助用戶進行非常復雜的時域仿真，同時ANSYS Workbench也可自動完成很多建模和求解工作。
    傳統結構有限元模擬分析的基本流程如圖1所示。這種結構應力分析的標準過程是根據設計條件，用解析計算方法或根據經驗值確定初始結構尺寸，按照該結構尺寸，用有限元程序建模、求解，再對得出的應力、剛度分析結果進行強度評定。如果評定不合格則根據設計者的經驗對初始尺寸進行修改，然后再次建模、求解，進行強度評定，如此反復，直至結果評定合格為止。存在設計周期長、需要進行工程試驗來彌補求解的離散性等方面的不足。
    日益激烈的市場競爭已使工業產品的設計與生產廠家越來越清楚地意識到，能比別人更快地推出優秀的新產品，就能占領更多的市場。為此，CAE方法作為能縮短產品開發周期的得力工具，被越來越頻繁地引人了產品的設計與生產的各個環節，以提高產品的競爭力。應用基于協同結構設計優化法進行結構強度、剛度分析設計與以往的標準方法相比，具有設計周期短、設計人員工作工作量小、結構‘各部分結構尺寸通過優化方法確定、有利于避免材料的浪費等優點。
    采用ANSYS Workbench進行集成開發的技術方案其關鍵優勢為：
    （1）利用Workbench的雙向CAD數據接口實現強度與結構設計間模型與數據協同是其它仿真軟件不具備的。
    （2）無須腳本，模型修改后進行仿真分析結果的更新充分利用了Workbench面向對象的技術優勢。
    （3）設計模板及強度分析流程的定制充分體現了Workbench開放架構的技術特點，定制過程簡單、界面友好。
    ( 4) Workbench項目方式的數據管理功能和與PDM的接口實現模型與數據的統一管理是其它仿真軟件不具備的。

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    樹脂基復合材料因具有高比強度、高比模量以及可設計性強等許多優異的特性，其應用領域隨著成型工藝的完善也在日益拓寬。提高復合材料結構效率不能單純地依靠提高纖維性能，更重要的是要加強計算分析、工藝技術等方面的研究，從而提高復合材料結構的結構效率，纖維纏繞加筋結構是能夠充分發揮纖維強度、剛度的典型結構，其結構的先進性受到設計人員的廣泛關注。
    2 ANSYS Workbench結構計算
    利用ANSYS Workbench協同設計集成優化分析環境，針對大型薄壁殼體結構承受的軸向載荷進行靜力分析和結構屈曲分析。對于其有限元網格劃分采用實體單元進行分析。對于結構的靜力分析，可取對稱分析。
    2.1建模依據

    按照主要結構特點等實物特征，建立三維實體模型。
    計算中所使用了實體建模，采用solid45#單元。
    受力（15t載重＋St車重＝ZOt外部載荷）主要是靠土介質傳遞給池體，所以建立的該池的四周土壤模型。
    該池具有對稱結構，采用了對稱算法。
2.2計算條件
    計算單元：solid45，接觸單元為實體接觸單元contact170, contact174.土體為夯土，線彈性E＝2. 5e8Pa;泊松比V＝0.45；密度＝2100k g/m²；粘聚力C＝19，摩擦角＝32°；膨脹角30°。

    車載等效壓力載荷（車輪的作用面積等效為長軸0.25，短軸0.15的橢圓，面積為0. 118m2）20t的力轉換為壓力為1. 698 MPa 。 [-page-]
2.3計算內容
    靜力學分析和特征屈曲分析，為了減小計算量，先要明確在車輪運動中什么地點處受力大，因此在計算前做了準備性計算，車輪單輪在模型面上運動，20t力通過0.118m²擴作用到模型上要比20t力通過兩個車輪2 x O. 118m²時要大，因此先計算單輪的情況，在距池的中心4m，lm,0. 5m處進行了計算。
2. 3. 1 4m時的受力情況

    從以上各圖可以看出，無論是平均應力還是剪應力都存上升趨勢，所以在單輪計算的基礎上，雙輪僅在0. 5m處計算即可。 [-page-]
2. 3. 4 0. 5 m時的雙輪受力情況攀
    比較單輪與雙輪的計算結果發現，在總受力城2Ot定值時，雙輪與單輪的受力大小基本相當，而且都比較小，均能滿足使用要求。單從應力和變形來看安全系數都在15倍以上，能滿足使用要求。

2. 4開多孔結構分析
    由于使用要求，需在殼體上開口，根據實際經驗及計算，在設計過程中盡量采用正方形和圓形開口，避免長方形和橢圓形開口。開口特征同時加劇了應力的集中，減小了該結構的承載能力和穩定性。

    大環向拉應力為33. 9MPa，大環向壓應力為33．8MPa。
    大軸向拉應力為14. 2MPa，大軸向壓應力為12. 4MPa。
      大拉應變為.0875%，大壓應變為0.0861％。
4結語
    本文利用ANSYS Workbench協同優化設計分析CAE環境，對大型薄壁整體復合材料殼體結構的不同結構設計狀態下的靜強度和屈曲穩定性進行了比較系統的分析。并結合實例進行了說明，該復合材料結構系統分析結果為水處理罐體系列產品的結構設計與制造工藝可提供較好的參考借鑒作用。
    兩種計算方法的計算結果基本一致，但是采用ANSYSWorkbench協同優化設計分析更為簡潔有效。