案例56-螺纹连接分析

该示例问题演示了2-D到3-D分析的能力和优点，这些问题需要将2-D模型解扩展到相应的挤出3-D实体。

重点介绍了以下特性和功能：

• 将二维模型挤出为三维模型（EEXTRUDE）。

• 将解变量从二维网格映射到新的三维网格，并重新平衡结果（MAP2DTO3D）。

• 通过多帧重启继续分析三维模型

介绍

螺纹管接头在石油、天然气和海上管道应用中很常见。它们在管道频繁耦合和分离的环境中连接管道。连接器必须能够承受苛刻的操作条件，因为它们通常承受内部压力、轴向拔出、弯曲和扭转载荷。

即使在可能的情况下，使用三维模型开始螺纹连接模拟也是困难且耗时的。轴对称载荷很重要，很难通过接触来解决，而螺纹连接的详细检查通常需要精细的网格。

由于加载的前几个阶段（如内压和轴向拔出）本质上是轴对称的，并且导致非轴对称变形（如弯曲）的载荷发生在稍后，因此可以使用Mechanical APDL的2-D到3-D分析功能在分析的早期执行更简单的2-D分析，随后进行一般的3-D分析。

2-D到3-D分析包括将2-D变形网格挤出到新的3-D网格。该程序根据需要更新数据库，根据需要生成接触单元，并将边界条件、载荷和节点温度从二维网格传递到挤出三维网格。该程序将所有求解的变量（节点和单元解）映射到新的三维网格，并自动重新平衡三维模型的解。然后，可以通过多帧重启动，根据需要应用非轴对称加载，继续对三维模型进行分析。

问题描述

以下是本示例问题中使用的螺纹连接模型的几何结构：

分析分为三个步骤：

• 第1步：求解内部压力和端盖载荷下的二维轴对称螺纹连接模型。

• 第2步：将二维轴对称模型转换为完整的三维模型。

• 第3步：继续分析弯曲载荷下的三维螺纹连接模型。

第一步中的几何结构和载荷是轴对称的，因此分析从二维轴对称模型开始，以求解内部压力和拉伸载荷。使用2-D到3-D分析，将2-D变形网格挤出成新的3-D网格，并将解结果映射到3-D模型。然后继续对三维模型进行分析，在三维模型上施加非轴对称（弯曲）载荷。

使用二维轴对称模型而不是三维模型开始螺纹连接分析：

• 所需的计算时间大大减少。

• 在创建手动接触对时方便接触建模。

• 在使用接触对求解二维模型时，降低了收敛问题的可能性。

建模

该模型使用具有轴对称特性的PLANE182二维四节点结构实体单元（KEYOPT（3）=1）：

关键位置螺纹的映射网格具有足够的网格密度：

接触建模

螺纹连接的二维轴对称模型有两个接触对：

柔性-柔性接触对使用低摩擦值（µ=0.05）。螺纹之间存在非常少量的初始穿透（包括在接触分析中）。可以在2-D到3-D映射过程中更改此接触对的某些属性（例如包括/排除初始穿透或修改定位球区域）。可能需要一些实验来确定接触参数，以解决求解映射（MAP2DTO3D，SOLVE）期间出现的收敛问题（如果有的话）。

刚性-柔性接触对在二维轴对称分析中不起作用。然而，当在挤出的三维模型上施加弯曲载荷时（通过为该接触对创建的导向节点），三维模型需要此功能。

当二维轴对称网格被挤出为三维网格（EEXTRUDE）时，程序将为三维模型创建两个接触对。

材料属性

螺纹连接模型使用具有弹塑性行为的结构钢。非线性运动硬化材料模型具有以下与温度无关的材料特性：

边界条件和加载

二维轴对称分析的边界条件和载荷

端盖载荷施加在模型的顶端，底端在所有自由度上固定，施加内压力：

循环内部压力和端盖载荷：

三维挤出模型上的载荷

在将2-D模型转换为3-D之后，在3-D模型上施加弯曲载荷。为此，在二维模型中创建了刚性到柔性冗余触点对。在三维挤压模型中，0.4度的弯曲载荷施加在接触对的导向节点上。

分析和求解控制

步骤1：使用压力和端盖载荷进行二维轴对称分析

在五个载荷步中进行了具有大变形效应（NLGEOM，ON）的静态结构分析。

分析涉及压力和端盖载荷的两个完整加载/卸载循环。在第五个载荷步中，应用压力和端盖载荷的最终值。

步骤2：将二维模型挤出为三维模型

三维模型从二维模型中挤出：

2.1	启动二维到三维分析	MAP2DTO3D，START，5，4	最后通过重建二维分析数据库开始分析
2.2	从二维变形网格挤出到三维网格	EEXTRUDE,AXIS,40,,,,,,1	围绕全局Y轴旋转二维变形几何体，沿环向旋转40个单元。 重要：确保环向上有足够数量的单元，以在标测期间再现正确的接触结果。
2.3	映射边界条件和载荷	MAP2DTO3D,FINISH	传递边界条件、压力荷载、施加的节点力、节点位移以及施加的节点条件和载荷。从二维网格到拉伸中相应实体的温度三维模型。
2.4	映射解变量	MAP2DTO3D,SOLVE	将节点和单元解从二维模型转移到三维模型，并启动再平衡。

挤出后，可以修改一些接触设置（如果需要在重新平衡期间解决收敛问题）。有限的预处理是可能的。您可以创建新的触点对，修改材料特性以供以后在三维分析中使用，并更改KEYOPT设置。（但是，在更改KEYOPT时要小心，因为不适当的修改会导致重新平衡后的三维模型结果不同。）

步骤3：求解带有弯曲载荷的三维模型

在施加弯曲载荷的情况下，继续对三维模型进行分析（通过多帧重启东）：

3.1	重启动分析	ANTYPE,,RESTART,5,5	分析在MAP2DTO3D，SOLVE之后的最后一个收敛子步骤执行多帧重新启动。（在这种情况下，这是第五个加载步的第五个子步。）
3.2	施加弯曲载荷	D,Pilotnode,ROTZ,-0.00698	将弯曲载荷施加在刚性到柔性触头对的导向节点上（在三维模型的顶面上）。在导向节点上施加0.4度的弯曲载荷。
3.3	求解和查看结果	SOLVE	求解三维分析，并通过POST1中的标准输出命令（PLNSOL和*GET）查看结果。

结果和讨论

以下是二维轴对称分析后的等效应力和总机械等效应变图：

下图显示了映射后挤出三维模型上的等效应力和总机械等效应变图（MAP2DTO3D，SOLVE）：

正如预期的那样，结果与相应的二维模型的结果非常吻合。然而，如果接触设置在二维和拉伸三维模型中不等效，结果可能会有所不同。在这种情况下，试验接触设置以获得匹配结果。

下图显示了通过多框架重新启动分析求解弯曲载荷后三维模型上的等效应力和总机械等效应变图：

下图显示了使用弯曲载荷求解三维模型后螺纹上的弯曲应力图：

该图显示了映射后三维模型螺纹区域上的接触压力图（MAP2DTO3D，SOLVE）：

正如预期的那样，接触压力在圆周方向上是均匀的。

以下是分析结束时螺纹区域的接触压力图：

由于弯曲，螺纹连接仅在一侧承受大部分载荷。

此动画显示了整个分析过程中螺纹连接的接触压力变化：

此动画显示了完整分析期间的等效应力结果，以及最后一个加载步（弯曲期间）螺纹连接状态的变化：

建议

要执行类似的分析，考虑以下提示和建议：

• 每个90度象限在环向上至少有八个单元（即，360度模型的无偏网格中至少有32个单元），以在2-D到3-D映射（MAP2DTO3D）期间正确再现接触结果。

• 如果在2-D到3-D映射期间出现接触相关的收敛问题，请尝试修改一些接触参数（例如穿透公差、弹球半径、FKN、FKT等）。在将节点和单元解从二维模型映射到三维模型并重新平衡结果（MAP2DTO3D、SOLVE）之前，必须发生任何此类接触参数变化。

• 若要在三维模型上施加弯曲载荷，请在二维模型中创建具有指定导向节点的刚性到柔性冗余触点对。程序使用导向节点施加弯曲载荷。

• 验证三维模型结果与二维模型结果非常相似。（预期差异较小，尤其是接触结果。）