基于CAE技術(shù)的聚氨酯復(fù)合管內(nèi)襯應(yīng)力研究

宮紀(jì)明 楊玉梅 楊麗潔

（1淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)系，安徽 淮北 235000）（2安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽 淮北 235000）

礦山、煤礦對(duì)高耐磨、高彈性、高強(qiáng)度的非金屬材料需求十分迫切。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前開(kāi)采1t礦石至少要消耗lkg鋼鐵，實(shí)際上是在用鋼鐵換礦石。聚氨酯彈性體具有優(yōu)異的性能，是比較符合礦山要求的非金屬材料，用以取代部分金屬材料是完全必要的[1]。

許多礦山設(shè)備需要耐磨的襯里，聚氨酯彈性體襯里的厚度薄、耐磨性強(qiáng)、彈性好、防腐好、使用壽命長(zhǎng)、耐水解老化和抗機(jī)械沖擊等，國(guó)內(nèi)很多礦山都使用聚氨酯復(fù)合管。聚氨酯的內(nèi)襯彈性很好，在受到介質(zhì)沖擊時(shí)，內(nèi)襯在載荷作用下壓縮，沒(méi)有載荷作用時(shí)，內(nèi)襯可以恢復(fù)原狀，這個(gè)特點(diǎn)大大減輕了介質(zhì)對(duì)管道內(nèi)壁的直接強(qiáng)烈沖擊造成的磨損，它的耐磨壽命是鋼管的幾十倍。

1 計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)

計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)（CAE—Computer Aided Engineering）是以現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)為基礎(chǔ)，以計(jì)算力學(xué)中的邊界元、有限元、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及模態(tài)分析等方法為理論基礎(chǔ)的新技術(shù)。它把工程實(shí)踐的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)地組織起來(lái)，將有關(guān)信息集成并且優(yōu)化運(yùn)行，它是是信息化的核心，是現(xiàn)代工程和制造業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵手段，它在實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的同時(shí)，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低了研究開(kāi)發(fā)成本，縮短了研究開(kāi)發(fā)周期[2]。

有限元分析軟件（ANSYS）是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用軟件，它是典型的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件。它主要包括三個(gè)部分：前處理模塊、求解模塊和后處理模塊，前處理模塊提供一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；求解模塊可對(duì)各種加載進(jìn)行求解，模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析和優(yōu)化分析能力；后處理模塊提供可對(duì)結(jié)果進(jìn)行有效分析的工具，從而簡(jiǎn)化最后的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析，縮短設(shè)計(jì)周期[3]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，但是在聚氨酯彈性體制品方面的研究還很少。本文通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工程的典型有限元分析軟件對(duì)聚氨酯復(fù)合管的內(nèi)襯進(jìn)行應(yīng)力分析，該方法有效可靠。

2 聚氨酯復(fù)合管內(nèi)襯的有限元分析

2.1 建立聚氨酯復(fù)合管內(nèi)襯的模型

有限元分析過(guò)程有建模、計(jì)算和后處理三個(gè)階段，建立有限元模型是整個(gè)有限分析過(guò)程的關(guān)鍵。下面使用有限元分析軟件對(duì)聚氨酯復(fù)合管的內(nèi)襯建立有限元模型，以DN100的聚氨酯復(fù)合管為例，聚氨酯內(nèi)襯的外徑為0.05m；內(nèi)徑為0.045m；壁厚為0.005m。依據(jù)聚氨酯內(nèi)襯的試驗(yàn)載荷為4.0MPa，彈性模量為 26MPa、泊松比為 0.476，研究?jī)?nèi)襯內(nèi)表面承受壓力載荷的作用時(shí)，內(nèi)襯的應(yīng)力場(chǎng)分布情況。

有限元分析軟件有直接建模、實(shí)體建模、從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD-Computer Aided Design）中導(dǎo)入實(shí)體模型和從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中導(dǎo)入有限元模型四種建模方法。直接建模是在顯示窗口直接建立節(jié)點(diǎn)和單元，模型中沒(méi)有實(shí)體出現(xiàn)；實(shí)體建模是先創(chuàng)建幾何模型，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成節(jié)點(diǎn)和單元，最后建立有限元模型；從CAD導(dǎo)入實(shí)體模型是將CAD實(shí)體模型導(dǎo)入Ansys進(jìn)行分析；從CAD導(dǎo)入有限元模型是將CAD有限元模型導(dǎo)入Ansys進(jìn)行分析[4]。Ansys提供了相加、相減、相交、分割、延伸、旋轉(zhuǎn)、復(fù)制和移動(dòng)等功能建立復(fù)雜的實(shí)體模型[5]，本例對(duì)聚氨酯內(nèi)襯模型進(jìn)行實(shí)體建模。

ANSYS軟件有兩種實(shí)體建模的方法，即自底向上的建模方法和自頂而下的建模方法。自底向上的建模法是用戶先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后是相應(yīng)的線、面和體；自頂而下的建模法是用戶定義一個(gè)模型的基元，程序會(huì)自動(dòng)定義相關(guān)的面、線和關(guān)鍵點(diǎn)，用戶利用這些高級(jí)圖元直接構(gòu)造幾何模型。聚氨酯內(nèi)襯模型采用的是自頂而下的實(shí)體建模的方法，生成的幾何模型如圖1所示。

圖1 幾何模型

2.2 網(wǎng)格的劃分

模型建立后，要進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，首先需要將所研究的結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，所謂離散化即用有限多個(gè)的單元在有限多個(gè)節(jié)點(diǎn)上相互連接，形成離散結(jié)構(gòu)物，也就是把對(duì)連續(xù)彈塑性體的分析轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)離散結(jié)構(gòu)的分析。這些單元僅在節(jié)點(diǎn)處連接，單元之間的荷載也僅由節(jié)點(diǎn)傳遞，連續(xù)體的離散化又稱(chēng)為網(wǎng)格化分。首先建立好幾何模型，選擇好單元，然后輸入各種材料屬性后即可進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格對(duì)生成的有限模型的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)型有決定性的影響。網(wǎng)格劃分包括對(duì)網(wǎng)格劃分形狀、網(wǎng)格密度，劃分形式的選取[6]。

根據(jù)模型的對(duì)稱(chēng)性，選擇聚氨酯內(nèi)襯橫截面建立幾何模型。使用PLANE82單元進(jìn)行求解，PLANE82單元為二維八節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有X和Y兩個(gè)自由度，該單元能被用來(lái)作為一個(gè)平面單元或是作為一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)單元，具有一致位移形狀函數(shù)，能很好地適應(yīng)曲線邊界，該單元具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應(yīng)力剛度、大變形以及大應(yīng)變的能力。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

2.3 有限元分析

圖2 內(nèi)襯網(wǎng)格模型

有限元分析 （FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）是使用有限元方法來(lái)分析靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的物理物體或物理系統(tǒng)，是一種在力學(xué)模型上進(jìn)行近似數(shù)值計(jì)算的方法，實(shí)際上是把無(wú)限個(gè)自由度問(wèn)題化為有限個(gè)自由度的問(wèn)題，有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元分析的目的是幾何模型對(duì)施加載荷的響應(yīng)。

本例的聚氨酯內(nèi)襯幾何模型受到外壓、內(nèi)壓、支撐力和重力幾中載荷的影響，在礦山中，聚氨酯復(fù)合管主要用于礦漿和水沙的輸送，在此考慮內(nèi)壓的影響，在內(nèi)壁施加4.0MPa的載荷對(duì)聚氨酯內(nèi)襯幾何模型在節(jié)點(diǎn)上施加壓力載荷，并對(duì)所選節(jié)點(diǎn)X方向和Y方向的位移進(jìn)行約束，利用求解器進(jìn)行求解計(jì)算后，得到分析結(jié)果如圖3、圖4、圖5和圖6所示。

圖3 位移場(chǎng)等值線圖

圖4 X方向應(yīng)力等值線圖

圖5 Y方向應(yīng)力等值線圖

圖6 等效應(yīng)力等值線圖

2.4 結(jié)果分析

應(yīng)力分析圖中應(yīng)力大小采用不同顏色來(lái)表示，紅色表示應(yīng)力值最大，藍(lán)色表示應(yīng)力值最小，從圖3中可以看出應(yīng)力值最大出現(xiàn)在內(nèi)壁處，最大位移0.055872m，最小位移0.050727m 。從圖4看X方向最大應(yīng)力0.381E+08Pa，最小應(yīng)力0.404E+07Pa。從圖5看Y方向最大應(yīng)力0.381E+0 8Pa，最小應(yīng)力0.404E+07Pa。從圖5看最大等效應(yīng)力位于內(nèi)壁處，應(yīng)力值為0.365E+08Pa，最小等效應(yīng)力位于最外部，應(yīng)力值為0.296E+08Pa。該結(jié)果符合實(shí)際應(yīng)用。

3 結(jié)論

文中通過(guò)使用ANSYS有限元軟件只是對(duì)聚氨酯內(nèi)襯進(jìn)行應(yīng)力分析，確定內(nèi)襯在一定載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。但是對(duì)聚氨酯復(fù)合管進(jìn)行力學(xué)研究時(shí)，在考慮鋼材和聚氨酯材料受力的情況時(shí)，可以對(duì)聚氨酯復(fù)合管在載荷作用下的力學(xué)性能作進(jìn)一步的研究。

[1]黎清寧，盧德宏，周榮.聚氨酯彈性體在礦山中的應(yīng)用[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2003，28（1）：35-38.

[2]文勁松，麻向軍.CAD/CAE 軟件在注射模具技術(shù)中的應(yīng)用[J].模具技術(shù)，2003，（5）：16-18.

[3]韓敏.利用 ANSYS 軟件對(duì)壓力容器進(jìn)行應(yīng)力分析[J].煤礦機(jī)械，2008，（1）：73-74.

[4]張朝暉.ANSYS 12.0 結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析（第 3 版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：2.

[5]劉力，李明萬(wàn)，賈糧棉.基于ANSYS的有限元分析在工程中的應(yīng)用[J].黃石理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，（5）：31-34.

[6]朱海玲.軸向荷載作用下鋼-聚氨酯復(fù)合管力學(xué)性能研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2011.