基于CAE技術的聚氨酯復合管內襯應力研究

宮紀明 楊玉梅 楊麗潔

（1淮北職業技術學院計算機科學技術系，安徽 淮北 235000）（2安徽礦業職業技術學院機械工程系，安徽 淮北 235000）

礦山、煤礦對高耐磨、高彈性、高強度的非金屬材料需求十分迫切。據統計，目前開采1t礦石至少要消耗lkg鋼鐵，實際上是在用鋼鐵換礦石。聚氨酯彈性體具有優異的性能，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]。

許多礦山設備需要耐磨的襯里，聚氨酯彈性體襯里的厚度薄、耐磨性強、彈性好、防腐好、使用壽命長、耐水解老化和抗機械沖擊等，國內很多礦山都使用聚氨酯復合管。聚氨酯的內襯彈性很好，在受到介質沖擊時，內襯在載荷作用下壓縮，沒有載荷作用時，內襯可以恢復原狀，這個特點大大減輕了介質對管道內壁的直接強烈沖擊造成的磨損，它的耐磨壽命是鋼管的幾十倍。

1 計算機輔助工程技術

計算機輔助工程技術（CAE—Computer Aided Engineering）是以現代計算力學為基礎，以計算力學中的邊界元、有限元、結構優化設計及模態分析等方法為理論基礎的新技術。它把工程實踐的各個環節有機地組織起來，將有關信息集成并且優化運行，它是是信息化的核心，是現代工程和制造業創新的關鍵手段，它在實現創新的同時，提高了設計質量，降低了研究開發成本，縮短了研究開發周期[2]。

有限元分析軟件（ANSYS）是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用軟件，它是典型的計算機輔助工程軟件。它主要包括三個部分：前處理模塊、求解模塊和后處理模塊，前處理模塊提供一個強大的實體建模和網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；求解模塊可對各種加載進行求解，模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析和優化分析能力；后處理模塊提供可對結果進行有效分析的工具，從而簡化最后的數據處理和結果分析，縮短設計周期[3]。

隨著計算機技術的快速發展，計算機輔助工程技術已經在各個行業得到廣泛的應用，但是在聚氨酯彈性體制品方面的研究還很少。本文通過計算機輔助工程的典型有限元分析軟件對聚氨酯復合管的內襯進行應力分析，該方法有效可靠。

2 聚氨酯復合管內襯的有限元分析

2.1 建立聚氨酯復合管內襯的模型

有限元分析過程有建模、計算和后處理三個階段，建立有限元模型是整個有限分析過程的關鍵。下面使用有限元分析軟件對聚氨酯復合管的內襯建立有限元模型，以DN100的聚氨酯復合管為例，聚氨酯內襯的外徑為0.05m；內徑為0.045m；壁厚為0.005m。依據聚氨酯內襯的試驗載荷為4.0MPa，彈性模量為 26MPa、泊松比為 0.476，研究內襯內表面承受壓力載荷的作用時，內襯的應力場分布情況。

有限元分析軟件有直接建模、實體建模、從計算機輔助設計軟件（CAD-Computer Aided Design）中導入實體模型和從計算機輔助設計軟件中導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點和單元，模型中沒有實體出現；實體建模是先創建幾何模型，再進行網格劃分，生成節點和單元，最后建立有限元模型；從CAD導入實體模型是將CAD實體模型導入Ansys進行分析；從CAD導入有限元模型是將CAD有限元模型導入Ansys進行分析[4]。Ansys提供了相加、相減、相交、分割、延伸、旋轉、復制和移動等功能建立復雜的實體模型[5]，本例對聚氨酯內襯模型進行實體建模。

ANSYS軟件有兩種實體建模的方法，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鍵點，然后是相應的線、面和體；自頂而下的建模法是用戶定義一個模型的基元，程序會自動定義相關的面、線和關鍵點，用戶利用這些高級圖元直接構造幾何模型。聚氨酯內襯模型采用的是自頂而下的實體建模的方法，生成的幾何模型如圖1所示。

圖1 幾何模型

2.2 網格的劃分

模型建立后，要進行網格劃分。采用有限元法進行結構分析，首先需要將所研究的結構進行離散化，所謂離散化即用有限多個的單元在有限多個節點上相互連接，形成離散結構物，也就是把對連續彈塑性體的分析轉變為對離散結構的分析。這些單元僅在節點處連接，單元之間的荷載也僅由節點傳遞，連續體的離散化又稱為網格化分。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行網格劃分。劃分網格對生成的有限模型的準確性和經濟型有決定性的影響。網格劃分包括對網格劃分形狀、網格密度，劃分形式的選取[6]。

根據模型的對稱性，選擇聚氨酯內襯橫截面建立幾何模型。使用PLANE82單元進行求解，PLANE82單元為二維八節點結構實體單元，每個節點上有X和Y兩個自由度，該單元能被用來作為一個平面單元或是作為一個軸對稱單元，具有一致位移形狀函數，能很好地適應曲線邊界，該單元具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應力剛度、大變形以及大應變的能力。網格劃分結果如圖2所示。

2.3 有限元分析

圖2 內襯網格模型

有限元分析 （FEA，Finite Element Analysis）是使用有限元方法來分析靜態或動態的物理物體或物理系統，是一種在力學模型上進行近似數值計算的方法，實際上是把無限個自由度問題化為有限個自由度的問題，有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續域的離散單元。有限元分析的目的是幾何模型對施加載荷的響應。

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

圖3 位移場等值線圖

圖4 X方向應力等值線圖

圖5 Y方向應力等值線圖

圖6 等效應力等值線圖

2.4 結果分析

應力分析圖中應力大小采用不同顏色來表示，紅色表示應力值最大，藍色表示應力值最小，從圖3中可以看出應力值最大出現在內壁處，最大位移0.055872m，最小位移0.050727m 。從圖4看X方向最大應力0.381E+08Pa，最小應力0.404E+07Pa。從圖5看Y方向最大應力0.381E+0 8Pa，最小應力0.404E+07Pa。從圖5看最大等效應力位于內壁處，應力值為0.365E+08Pa，最小等效應力位于最外部，應力值為0.296E+08Pa。該結果符合實際應用。

3 結論

文中通過使用ANSYS有限元軟件只是對聚氨酯內襯進行應力分析，確定內襯在一定載荷作用下結構的響應。但是對聚氨酯復合管進行力學研究時，在考慮鋼材和聚氨酯材料受力的情況時，可以對聚氨酯復合管在載荷作用下的力學性能作進一步的研究。

[1]黎清寧，盧德宏，周榮.聚氨酯彈性體在礦山中的應用[J].昆明理工大學學報（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中的應用[J].模具技術，2003，（5）：16-18.

[3]韓敏.利用 ANSYS 軟件對壓力容器進行應力分析[J].煤礦機械，2008，（1）：73-74.

[4]張朝暉.ANSYS 12.0 結構分析工程應用實例解析（第 3 版）[M].北京：機械工業出版社，2010：2.

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

[6]朱海玲.軸向荷載作用下鋼-聚氨酯復合管力學性能研究[D].鎮江：江蘇科技大學，2011.