SolidWorks靜態應力分析算例——閘板防噴器殼體的力學分析

1 寫在前面

SolidWorks是世界上第一個基於Windows開發的三維CAD系統。由於以設計功能為主，故很多初用SolidWorks的朋友們認為它僅僅是一個建模軟體，其實不然。SolidWorks軟體功能強大，組件繁多，這裡我們介紹它的其中一個功能--有限元分析，即SolidWorks Simulation。需要說明的是，說到底，SolidWorks並不是以有限元分析為主的軟體，所以它與ANSYS、ADINA以及ABAQUS等這些有限元分析元老級軟體的內嵌程序與分析精度是無法相提並論的。但是SolidWorks也有它的優勢，最主要的就是易於操作，至少筆者認為，SolidWorks的有限元分析操作步驟比起ANSYS等軟體要簡單易懂的多，對於初學者使用或者在工程應用方面，SolidWorks絕對可以在有限元分析中佔有一席之地。

因為筆者在攻讀博士期間轉戰石油與天然氣工程的油氣井方向，所以研究內容也隨著發生變化。此處就以油氣井鑽井過程中很重要的一個井口部件--閘板防噴器的殼體為研究對象，運用SolidWorks對它在帶壓作業過程中的受力及變形等進行有限元模擬分析操作。

關於防噴器的有限元分析之前有很多學者都做過，因為缺乏一定的專業背景，所以也不知道前人所做是深是淺。如果是油氣井方向的讀者想更深層次的研究BOP的話，也可以在網上找找相關的論文資料。我也是在查論文的時候看到了別人所做的，比較感興趣，然後自己又做了一下進行驗證，畢竟學位論文里擺出來的結果，有時候真的做（並）的（不）很（敢）好（信）。

在此之前簡單介紹下閘板防噴器。閘板防噴器是井控設備的核心裝置，它的各組成部件的結構強度和密封件的密封能力、壽命成為井控設備的關鍵因素。防噴器的閘板密封工作時，下部承受著井筒中高壓流體的作用，上部基本上無壓力，或接近大氣壓力，因此閘板上下受力及其不平衡。如果不採取合理措施，當接箍要通過閘板防噴器時，直接將防噴器的密封閘板打開，井中的高壓流體將突然釋放，對防噴器及其密封閘板將會造成劇烈的衝擊，不但會損壞防噴器的密封，而且會對大大降低其工作壽命。白話說，就是顧名思義，防噴器就是防井噴，為了防噴，承受的流體壓力會很大。

2 有限元分析詳細GUI步驟

我用的是2012版的SolidWorks，打開後初始界面如下圖所示。

這裡需要說明的是，Simulation是SolidWorks中的一個組件，如果你裝了SolidWorks後，CommandManager的辦公室產品里SolidWorks Simulation這一項是灰色的，代表此插件你沒有安裝成功，你需要進行修復，記住只修復SolidWorks本身即可，具體的步驟可以百度，百度上的修復步驟大多數都是可以實現的。

插件安裝成功後，打開SolidWorks，在CommandManager會有如下列表

閘板防噴器的模型我是事先建好的，保存為step格式的零件。現導入到SolidWorks中，點擊如圖圖標，打開對應路徑，在文件類型中選擇step格式，打開防噴器殼體零件文件。

之後會彈出如圖對話框，點擊默認的確定即可。

確定後會出現如圖截面，防噴器殼體零件已成功導入，此時點擊左上角「輸入診斷」下方的綠色對勾，代表幾何體中無錯誤面或縫隙存留。

點擊CommandManager中的辦公室產品，點擊SolidWorks Simulation，會發現在辦公室產品下方會出現一項Simulation，表示已經在本次使用中激活了該插件（每次開啟軟體都需重新激活才能使用）。在Simulation的算例顧問中點擊新算例。

之後會彈出如下對話框，算例類型選擇默認的靜態，因為我們要做的就是靜力分析，點綠色對勾確認。

緊接著，設置殼體材料。點擊算例顧問下方的應用材料，彈出材料屬性對話框，我選擇的是合金鋼，合金鋼能夠承受較高的壓力，硬度可以達到207～237HB，屈服強度可達約620MPa，基本滿足常規帶壓作業要求。具體的材料屬性下表已列出。點擊應用，關閉。

可以發現，防噴器殼體的顏色發生了變化，表示材料已成功被賦予。

設置約束。材料設置下方是夾具顧問，選擇下拉列表中的固定幾何體。會出現如圖所示對話框。

顯而易見，殼體上、下端面法蘭上的孔均通過螺栓與帶壓作業系統的其他部件連接，左右兩側通過螺栓與鉸鏈總成連接，側面與側門通過螺栓連接，因此在各連接螺栓所在位置施加約束，限制其移動和轉動現象的發生，如圖。

設置殼體受到的載荷。點擊外部載荷顧問，選擇下拉列表中的壓力。

出現如下對話框。

改變單位為兆帕，數值為41（這是我項目中的一個實例井的數據）。

如圖所示設置殼體內的載荷，點擊綠色對勾確認。

生成網格。網格密度設置為良好（即使是良好，質量其實也很一般，所以說它與專門的有限元分析軟體沒法比，但是精確度不要求很高的時候，SolidWorks簡單的多）。

點擊綠色對勾生成網格。

我們可以顯示網格的細節數據。

假如我們要寫論文做畢業設計的話，其中的一些數據是可以列舉到正文中的，比如：生成的模型節點數為144996個，生成單元總數為96415個，最大高寬比例為19.54等。

點擊運行，進行計算。

求解中……

求解完成，默認先顯示Von Mises應力雲圖。

約束和壓力似乎讓雲圖變得很亂，我們可以把它們隱去。

隱藏後的雲圖便清晰多了。

關於圖例。因為我們使用的單位是兆帕MPa，但是默認的單位是Pa，我們需要轉換單位，使圖例更清晰明了。點擊結果中的Von Mises應力，下拉列表中選擇編輯定義。

彈出如下對話框。

在對話框的單位中可以兆帕MPa，點擊綠色對勾即可。

可以發現，圖例的單位變為兆帕。

需要說明的是，程序默認的項目是Von Mises應力，但是在下拉列表中我們可以自行選擇需要分析的項目。

此時圖例中應力的數值大小是保留了一位有效數字，如果覺得不夠精確的話，可以進行修改，或者覺得浮點表示不舒服，改為科學計數法表示也可以。操作就是雙擊圖例，會彈出如下對話框。

改變有效數字位數可以在http://X.XXX處進行修改。如果想改為科學計數法表示，在上方將浮點改為科學即可。具體的操作和效果如圖。

三位有效數字。

科學計數法表示。

在這一對話框中還可以顯示應力最大註解，即應力最大出現在模型的何處，數值為多少。如圖。應力最小註解操作與之類似。

該算例的應力最大處出現在通頸的內部，在外部看不到。將模型剖開後，可以清楚看到。操作為：點擊結果中的Von Mises應力，下拉列表中選擇截面剪裁。

彈出如圖對話框。

相應的應力雲圖也隨著變化，默認剪裁方式如圖。

假設我們現在想觀察剛才提到的通頸處的應力最大處應力分布情況，可以調節對話框中三個方向的傾斜角度，例如我將Y方向上調90°。

可以得到如圖所示的應力雲圖，圖中可以清楚的看到通頸位置的應力分布情況。

但是該雲圖看上去很亂，有模型的輪廓，還有剪裁平面，我們需要一一隱去，來實現應力雲圖的清晰。剪裁平面的隱去十分簡單，只要在對話框下方的選項中取消對顯示橫截面的勾選就可以了。

去除模型輪廓線。點擊結果中的Von Mises應力，下拉列表中選擇設定。

彈出如圖對話框。

在邊界選項中，程序默認為模型，我們可以在下拉列表中選擇「無」，即可消除輪廓線，如圖所示。

此時顯示的應力雲圖是連續的，我們可以採用離散表示。將邊緣選項中的連續設置為離散，如圖所示，對於應力的分布情況會更加清晰一些。或者是設置為直線均可，根據自己分析的方向和目的進行後處理。

如果想得到任意位置的應力大小，可以運用探測功能。點擊結果中的Von Mises應力，下拉列表中選擇探測。

彈出如下對話框。

此時在模型中任意位置點擊滑鼠左鍵，會出現這一位置的節點（單元）號，X、Y、Z位置坐標以及應力數值大小。

如果想保存這一系列數據的話，點擊報告選項中的保存，就會保存在Excel文件中。

一些處理過的應力雲圖與位移雲圖如圖所示：

以上是大體上運用SolidWorks Simulation對於閘板防噴器殼體的有限元分析，步驟很簡單，也可以基本得到想要的模擬結果與數據，對於有限元初學者來講易於上手，對於本科畢業設計等，也可以使論文內容變得更加豐富一些。如果是想要專攻有限元模擬的話，當然建議還是學習ANSYS這一類軟體，雖然上手不太容易，但畢竟功能強大的多。

本文結束。

掰掰！

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