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【干货】基于Ansys的水箱有限元静力学分析
 
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 2019-9-5  
 
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本文来自于网络,文章主要以水箱系统为案例讲解了 ANSYS中ANSYS-workbench相关内容。

1.1 软件简介

ANSYS有限元软件是当前比较流行的产品设计分析高级CAE工具之一,经过几十年的发展,其技术涵盖各个学科领域,与同类软件比较,ANSYS在很多方面有这独一无二的优势,如统一的数据库,强大的二次开发功能,良好的界面,丰富的CAD软件数据接口等。

ANSYS-workbench是ANSYS公司目前主推的有限元平台,相比经典界面APDL优点众多,能解决目前出现的各种仿真问题,该平台提供了强大的功能和较好的用户界面,包括集成的项目视图和无缝集成的参数管理,可以采用拖拽的方式完成多物理场的分析流程,并且在前处理方面优秀于其它有限元软件。该仿真平台设置简单,推动了仿真产品的设计。本文采用的是结构静力学分析的模块(static structual)。

1.2 基于Ansys-workbench的水箱静力学分析

1.2.1 有限元分析流程

从上述流程图可知分析步骤为:

(1)基于SolidWorks软件进行水箱三维建模。

(2)基于ANSYS-workbench平台下的mesh进行水箱系统的网格划分。

(3)基于ANSYS-workbench平台下的static structual模块添加水箱的边界条件和约束等设置。

(4)求解并分析。

1.2.2 水箱系统有限元建模

水箱系统是洗碗机的重要核心零部件,水箱系统由水箱上片,水箱下片,浮子系统,放水阀,水管道等组成,在洗碗机正常工作过程中,水箱需要自动进水或手动进水,进水约5L左右后,触发浮子接通信号,会发出进水已满的报警声之后进行正常洗涤过程。

本章分析的重点是水箱上下片的结构强度分析,在进行建模时,需提出几点假设:1 各零件材料为各向同性,密度分布均匀;2.由于本章先要对理想情况下的水箱系统进行分析,这里假设水箱上片,下片等零件均为理想状态即不考虑结构和材料的缺陷及加工,装配过程中的残余应力等。

1)单元选择,定义材料和网格划分

将简化后的水箱三维模型另存为.xt文件,将.xt文件导入到ANSYS-workbench中,在网格划分之前需选择实体单元,ANSYS软件提供了常见的单元类型,如实体单元和弹簧阻尼单元等等,根据每种单元的算法不同和实际应用的需要,设计人员需要通过不同的命令流在ANSYS-workbench平台下,对单元进行选择或更改。本文所研究的是水箱的上片和下片强度分析,建立的均是实3D体,因此选择默认的solid164单元,水箱上下片材料PP,密度0.9g/cm3,弹性模量0.89GPa,泊松比0.42

进入mesh进行网格划分,模型采用四面体实体单元划分,这种单元为非结构化网格,运算速度快,对于类似于水箱这种复杂模型,求解效率快,水箱上片和水箱下片均采用Patch conforing Method-tetrahedrons网格划分方法,同时添加局部网格尺寸划分Body sizing=2mm 方法,为了保证求解精度和求解时间代价的平衡,网格划分规模节点数为1101881,单元数量553351,有限元网格如图1-2所示。网格生成后,需要对模型进行检查,检查模型是否存在致命的问题,如重复节点,重复单元,壳单元法向是否一致等等,网格质量图如图1-3所示,平均质量0.8以上,网格质量好。

图1-2 水箱有限元模型

图1-3 网格质量

2.定义约束和施加初始条件

本文研究是洗碗机水箱上下片在极限工况下的静力学分析,当进水约5L左右后,水箱处于满载荷状态,此时水液面高度约为245mm,水箱内部均受到水压力作用,水箱底面压力0.0024Mpa,假设满载情况下,水箱水面静止,此时该水平面压力为0,在该处设置为局部坐标系零点平面,水箱内壁压力随深度而线性变化,采用hydrostatic pressure进行设置,Fluid Density=1000kg/m3,因为水箱内底部压力为0.0024Mpa,调整Hydrostatic Acceleration为10500kg/mm2,约束是对有限元模型进行自由度的添加,因为水箱是通过螺钉连接固定在洗碗机内胆上,故在水箱螺钉连接处采用固定Fixsupport约束,具体边界和约束条件如图1-4所示。

图1-4 静水压力设置

图1-5边界条件

水箱静力学结果分析

水箱由水箱上片和下片通过热板焊接工艺组成,水箱整体应力应变云图如下:

水箱整体应力云图

水箱最大应力处局部应力云图

水箱整体形变云图

水箱整体体应变云图

由上图可知:水箱整体的最大应力为7.66Mpa,最大应变为9.3X10-5,发生在水箱上片内部靠右侧加强筋位置处,如图1-4,1-5,1-7所示,小于PP材料的屈服极限强度30MPa,满足强度要求,最大形变发生在水箱上片中间位置处,最大形变量为0.0155mm.在满载水时,水箱内部受到压力作用,变形较小,满足要求。

综上所述:该水箱满足强度刚度要求

   
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