案例56-螺纹连接分析

龙飞宇 2023年5月14日浏览：1964 评论：4 收藏：6

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：

案例56-螺纹连接分析的图1

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）：

案例56-螺纹连接分析的图2

关键位置螺纹的映射网格具有足够的网格密度：

案例56-螺纹连接分析的图3

接触建模

螺纹连接的二维轴对称模型有两个接触对：

案例56-螺纹连接分析的图4

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：

案例56-螺纹连接分析的图5

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：

案例56-螺纹连接分析的图6 案例56-螺纹连接分析的图7

循环内部压力和端盖载荷：

案例56-螺纹连接分析的图8

案例56-螺纹连接分析的图9

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。

案例56-螺纹连接分析的图10

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。