基于 ANSYS Workbench 的薄壁筒形件有限元分析

摘要:通过运用 ANSYS Workbench14.0 对食品加工中的不锈钢罐体进行有限元分析，以检验原设计的可靠性，并验证该分析软件在此类设计过程的可行性。为增强筒形件的静力学性能，提出了加纵向加强筋的形式，并对有低加强筋两种形式的罐体进行静力学分析。通过对两种结构模型的总变形量和应力分析结果进行比较分析，证明纵向加强筋可有效提高薄壁筒形件的静力性能。
通常，人们使用的容器主要是陶瓷、玻璃及不锈钢等材质。与陶瓷、玻璃相比，不锈钢容器制品具有强度高、韧性好、重量轻、抗摔性能好、易于清洁等优点。虽价格稍贵，但从使用寿命及方便性来衡量，不锈钢容器具有更大的优势，故在民用及工业领域，不锈钢的使用越来越广泛。是在食品工业中，各种阀门、管道、容器等须用不锈钢材质制造，以零部件具有足够的韧性、强度以及较好的抗腐蚀能力。但在设计食品加设备的过程中，多数是依据经验数据进行设计且不进行详细的校核，这会造成零件强度不足或是出现安全系数过大而浪费材料的情形。本文通过使用 ANSYS Workbench14.0 对食品加工中的不锈钢罐体进行有限元分析，验证原设计的可行性。

1 基于 ANSYS Workbench 14.0 的有限元分析
1.1 ANSYS Workbench 14.0 简介
ANSYS Workbench 14.0 交互界面是利用ANSYS 14 作为求解器求解问题的产品，Work-bench 环境是各个仿真过程的集成平台，它提供了现代工业应用广泛、深入的工程仿真技术的基础框架。ANSYS Workbench14.0 是将工程示意图设计成为展现整个项目的一个综合性的、详细的数据关系框图。全新的模块视图概念将整个仿真过程清晰紧密地结合在一起，来引导用户通过简单的操作完成复杂的物理场分析。
1.2 提出问题及建立模型
整个罐筒壁厚为 6mm，材料为 304 不锈钢，底部安装在工作台上，工作时从上端口注入水。罐体是根据经验进行设计的，为罐体能安全工作，现通过 SolidWorks 2012 建模，经 AN-SYS Workbench14．0 与 SolidWorks2012 接口导入，采用 ANSYS Workbench14.0 软件对该罐筒进行强度校核。
1 .3 划分网格
网格划分是有限元分析中的关键组成部分。网格划分的好坏对后续的分析工作产生很大的影响，网格的多少决定着分析时间的长短及计算精度的高低，要取得理想的仿真数据进行合理的网格划分。通常要零件薄部分能够有两个以上的网格。同时应合理控制模型特殊部位的网格密度。ANSYSMeshing 是基于参数驱动的，它可以同时满足这些要求，并根据不同的物理场进行自动建模和仿真，在每一个工程仿真分析过程中都能良好的网格质量及较高的自动化程度。
ANSYS Meshing 的网格自动划分功能包括的网格类型有:棱柱膨胀层、贴体直角网格、四面体、六面体、六面体膨胀层、六面体核心、剪切直角网格等。同时还支持交互式的网格划分方式，以满足不同领域的仿真要求。例如用户可以根据需要，任意设定某条边的网格数量及网格的类型，对生成的网格还可以立即调整参数，调整后只需单击“Update”就可生成新的网格。本文采用四面体网格类型，定义“sizing”为“fine”。
1.4 设置边界条件及考察指标
网格生成后就要进行边界条件设置和加载。本文将筒体支腿的底部设置为固定支撑“FixedSupport”，对内表面施加静水压力载荷“Hy-drostatic Pressure ”，并施加重力加速度“StandEarth Gravity”。考察指标主要是筒体的应力和应变情况，在树形目录的“Solution”的右键菜单中，通过“Insert”选项展开二级菜单，依次添加上“Directional Deformation”，“Equivalent Stress”。
生成树形目录。单击“solve”进行求解。

2 结果分析
罐体的变形量为5.8mm，位置在罐体侧面下部，罐体的下锥部分比较稳定，变形为零。应力为 301.65MPa，小于304 不锈钢的屈服强度 310MPa，所以结构是安全的。但由于筒体变形较大，具有一定的风险性，现对其改进，在筒体侧壁内部及锥体外部加加强筋。对其进行相同的网格划分、边界条件及考察指标的设定，其有限元分析得变形及应力结果如图 6 所示，从图中可以看到，罐体的变形量为3.5727mm，位置在罐体侧面下部，罐体的下锥部分比较稳定，变形为零.应力为285.09MPa，小于 304 不锈钢的屈服强度 310MPa。

来源：惠合发酵罐厂家

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基于 ANSYS Workbench 的薄壁筒形件有限元分析