一种基于过盈装配的管道抗弯强度仿真分析方法与流程

1.本发明涉及管道抗弯强度仿真分析技术领域，尤其涉及一种基于过盈装配的管道抗弯强度仿真分析方法。


背景技术：

2.在管道装配体中为达到更好的固定效果，弹性块(例如橡胶块)往往采用过盈装配的方式进行安装，过盈装配的弹性块往往变形较大。有限元分析中，过盈装配前两个零件的网格是少量叠加在一起的，计算时可以实现自动预紧，自动预紧后重叠的网格分离，然而，当过盈量较大时，叠加在一起的网格量较多，自动预紧难以实现，导致有限元计算不收敛，因此无法准确快速地通过有限元计算来分析基于过盈装配的管道抗弯强度。由此可知，如何解决弹性块大变形过盈装配的管道抗弯强度仿真计算过程中有限元计算不收敛的问题，实现准确快速地分析弹性块大变形过盈装配的管道抗弯强度成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本发明目的在于，提供一种基于过盈装配的管道抗弯强度仿真分析方法，能够解决管道弯曲时，弹性块大变形过盈装配计算不收敛的技术问题，从而提高弹性块大变形过盈装配的管道抗弯强度仿真分析的计算收敛性和计算效率。
4.根据本发明第一方面，提供了一种基于过盈装配的管道抗弯强度仿真分析方法，包括：
5.步骤s1、根据管道结构建立待处理管道有限元模型，所述管道结构包括外管，内管，以及位于内管和外管连接位置之间的钢箍和弹性块，在所述管道结构进行过盈装配时，所述弹性块的形变量大于预设的形变阈值；
6.步骤s2、为所述待处理管道有限元模型赋予材料特性和截面属性，在内管一端建立位移约束施加点；
7.步骤s3、在预设的第一分析步，设置除弹性块与外管之间重叠区域之外所有接触关系，在弹性块上表面施加压力荷载，压力方向指向橡胶内侧，使得弹性块与外管之间重叠区域小于预设的重叠区域阈值，在外管一端施加固定约束，在所述位移约束施加点施加位移约束，6个自由度的位移量均为0；
8.步骤s4、在预设的第二分析步，设置弹性块与外管之间的接触关系，基于当前的弹性块与外管之间重叠区域进行预压缩计算，然后消除施加于弹性块上表面的压力荷载；
9.步骤s5、在预设的第三分析步，控制所述内管一端施加的位移约束，将内管一端沿垂直于内管轴向方向弯折至目标位位移，获取所述管道结构的抗弯强度。
10.本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明提供的一种基于过盈装配的管道抗弯强度仿真分析方法可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：
11.本发明采用压缩荷载与弹性块接触关系在多个分析步中配合施加的方式解决管
道仿真中橡胶块大变形过盈装配有限元计算不收敛问题，从而提高弹性块大变形过盈装配的管道抗弯强度仿真分析的计算收敛性和计算效率。
12.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
13.图1为本发明实施例提供的基于过盈装配的管道抗弯强度仿真分析方法流程图；
14.图2为本发明实施例提供的管道结构示意图；
15.图3为本发明实施例提供的管道结构截面意图；
16.图4为本发明实施例提供的弹性块与外管重叠区域示意图；
17.图5为本发明实施例提供的弹性块上表面施加压力荷载示意图；
18.图6为本发明实施例提供的第一分析步中荷载与边界条件参数设置示意图；
19.图7为本发明实施例提供的第二分析步中压力荷载消除参数设置示意图；
20.图8为本发明实施例提供的第二分析步中最大分析步参数设置示意图；
21.图9为本发明实施例提供的第二分析步中质量缩放倍数参数设置示意图；
22.图10为本发明实施例提供的第三分析步中位移约束集中力荷载消除参数设置示意图。
具体实施方式
23.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于过盈装配的管道抗弯强度仿真分析方法的具体实施方式及其功效，详细说明如后。
24.本发明实施例提供了一种基于过盈装配的管道抗弯强度仿真分析方法，如图1所示，包括：
25.步骤s1、根据管道结构建立待处理管道有限元模型，所述管道结构包括外管，内管，以及位于内管和外管连接位置之间的钢箍和弹性块如图2和图3所示，在所述管道结构进行过盈装配时，所述弹性块的形变量大于预设的形变阈值；
26.其中，所述弹性块的形变量大于预设的形变阈值时，属于大变形过盈装配，直接采用现有的有限元计算会出现不收敛的问题。预设的形变阈值指的是允许计算收敛的形变阈值，作为示例，所述预设的形变量阈值可以设置为5％。作为一种实施例，管道结构可以为自锚管，弹性块可以为橡胶块。
27.作为一种实施例，所述步骤s1包括：
28.步骤s11、建立管道数字模型，所述弹性块处于未变形装配状态，所述弹性块和外管存在重叠区域；
29.其中，具体可使用solidworks或ug等cad建模软件建立管道数字模型。作为示例，所述管道数字模型与管道结构的尺寸相同。管道数字模型包括管道倒角、圆角等特征，此时，弹性块处于未变形装配，因此弹性块与外管有重叠区域，如图4所示。
30.步骤s12、将所述管道数字模型输出为预设的网格划分软件能够识别的第一目标
文件，将所述第一目标文件导入所述网格划分软件中进行面网格划分和体网格划分；
31.其中，若使用cad软件建立所述管道数字模型，则第一目标文件可以为x_t文件。网格划分软件具体可以为hypermesh。
32.作为一种示例，所述步骤s12中，在进行网格划分和体网格划分之前，还包括：
33.步骤s121、首先对管道数字模型上因建模生成的多余线条进行抑制，将狭长面、散碎面合并成为一个平滑曲面。
34.通过步骤s121可以减少因密集线条导致的低质量网格数量。
35.步骤s13、采用四面体网格对所述管道数字模型进行有限元划分，删除面网格，只保留体网格，生成所述待处理管道有限元模型。
36.其中，采用四面体网格对所述管道数字模型进行有限元划分，可以降低网格划分难度，提高网格质量。通过建立与实际管道结构特征完全一致的管道数字模型，并对其表面曲线进行优化处理，从而建立了高质量网格的待处理管道有限元模型。
37.步骤s2、为所述待处理管道有限元模型赋予材料特性和截面属性，在内管一端建立位移约束施加点；
38.其中，内管一端指的是管道结构中，内管结构裸露在外边的一端，即图2中的管道左端。
39.作为一种实施例，所述步骤s2包括：
40.步骤s21、将所述待处理管道有限元模型输出为预设的工程结构仿真软件能够识别的第二目标文件，将所述第二目标文件导入所述工程结构仿真软件中；
41.其中，预设的工程结构仿真软件可以为abaqus，第二目标文件可以为i np文件。
42.步骤s22、建立外管、内管、钢箍和弹性块的材料属性和截面属性，并赋予给所述待处理管道有限元模型；
43.其中，以管道结构为自锚管为例，外管材料属性可以为铸铁，钢箍的材料为碳钢，弹性块的材料为橡胶。
44.步骤s23、沿管道轴线方向在内管一端建立位移约束施加点。
45.步骤s3、在预设的第一分析步，设置除弹性块与外管之间重叠区域之外所有接触关系，在弹性块上表面施加压力荷载，如图5所示，压力方向指向橡胶内侧，使得弹性块与外管之间重叠区域小于预设的重叠区域阈值，即小于允许计算收敛的重叠区域阈值，在外管一端施加固定约束，在所述位移约束施加点施加位移约束，6个自由度的位移量均为0；
46.其中，具体可以才用动态显式的方法分别建立第一分析步(step1)、第二分析步(step2)和第三分析步(step3)。采用动态显示的可以增加计算的收敛性，同时便于使用质量缩放功能加快计算效率。
47.所述除弹性块与外管之间重叠区域之外所有接触关系包括：弹性块与钢箍之间的接触关系、弹性块与内管之间的接触关系、相邻两个弹性块的接触关系、钢箍与内管之间的接触关系、钢箍与外管之间的接触关系。
48.作为一种实施例，所述步骤s3中，采用平稳步(smooth step)的方式控制弹性块上表面施加压力荷载，使得压力在预设时间内从0平稳增加到预设压力值，从而使压力在1秒内由0平滑增大到设定值，增加计算收敛性。
49.由于第一分析步中弹性块与外管之间接触面没有设置接触关系，因此在有限元分
析中，重叠区的网格没有相互作用效果，重叠区域不参与计算，因此虽然弹性块重叠区域面积较大，但不影响计算的收敛性。同时，在压力荷载作用下，弹性块被压缩，弹性块与外管之间的重叠区域面积减小，可以理解的是，重叠区域可以为0，也即压缩后的弹性块与外管不重叠。此外，在第一分析步中，在外管一端(即图中管道右端)施加固定约束，约束外管右端所有自由度，内管左侧位移约束施加点(见图2)施加位移约束，6个自由度的位移量均为0，作为示例，荷载与边界条件可以设置为图6所示参数。
50.步骤s4、在预设的第二分析步，设置弹性块与外管之间的接触关系，基于当前的弹性块与外管之间重叠区域进行预压缩计算，然后消除施加于弹性块上表面的压力荷载；
51.其中，在预设的第二分析步，设置弹性块与外管之间的接触关系(此时重叠区域已经在压力作用下减小，弹性块与外管之间重叠网格数量减小)。由于预设的第二分析步设置了弹性块与外管之间的接触关系，预设的第二分析步中将会自动对当前的弹性块与外管之间重叠区域进行预压缩计算，由于重叠区域在第一分析步已经减小，重叠网格较少，预压缩计算能够收敛。在预压缩计算后，在此分析步将施加于橡胶表面的压力逐渐减小至0pa，以此将压力的影响消除。为增加计算收敛性，压力荷载采用smooth step消除，如图7所示。第二分析步中既要完成预压缩计算，同时要完成接触计算(弹性块与外管之间)的和压力荷载消除计算，时间步较大导致计算不收敛。因此在此分析步必须根据计算收敛情况调整分析步步长，最大分析步可设置为1e-5，如图8所示。此外，本分析步计算时间较长，为加快计算效率，采用质量缩放设置，质量缩放倍数可设置为10000，如图9所示。
52.步骤s5、在预设的第三分析步，控制所述内管一端施加的位移约束，将内管一端沿垂直于内管轴向方向弯折至目标位位移，获取所述管道结构的抗弯强度。
53.其中，通过控制所述内管一端施加的位移约束，将内管延y方向的位移修改为设定值，从而实现内管左侧向y方向弯折，从而获取所述管道结构的抗弯强度，需要说明的是，通过仿真弯折计算管道结构的抗弯强度的具体计算过程为现有技术，在此不再赘述。为增加计算收敛性，此位移约束集中力荷载也采用smooth step消除，具体参数设置入图10所示。
54.需要说明的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
55.本发明实施例所述方法采用压缩荷载与弹性块接触关系在多个分析步中配合施加的方式解决管道仿真中橡胶块大变形过盈装配有限元计算不收敛问题，从而提高弹性块大变形过盈装配的管道抗弯强度仿真分析的计算收敛性和计算效率。
56.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。