Ansys 实战训练｜卡箍螺栓预紧分析

🔧 一、几何模型预处理（关键步骤！）模型导入与修复启动Workbench → 拖入Static Structural模块 → 右键Geometry → Import水管CAD模型（STEP/IGES格式）裂纹定位在SCDM中 → Create → Slice切割管道截面 → 暴露内壁裂纹区域 裂纹参数定义半椭圆裂纹尺寸：长轴2c=4mm（表面长度），短轴a=1.5mm（深度）坐标系创建：Coordinate System → Create → 原点定位裂纹中心 → X轴沿管道轴向（扩展方向），Z轴指向管壁内部（裂纹面法向）⚠ ️二、材料属性与网格划分（避坑重点）铝合金材料库设置 Engineering Data → 新建材料"Al-7005" → 输入：弹性模量70e3 MPa | 泊松比0.33| 密度2.7e-6 kg/mm³ → 断裂韧性K_IC=25 MPa·√m（参考GB/T 4161标准） 裂纹尖端网格控制全局网格：Mesh → 右键Insert → Sizing → 单元尺寸5mm（过渡区） 奇异单元设置全局网格：Mesh → 右键Insert → Sizing → 单元尺寸5mm（过渡区）选中裂纹区域 → Face Meshing打勾Refinement → 裂纹尖端设置3级加密 → 最小单元尺寸0.015mm（≤0.01a） 单元类型：Mesh → Advanced → Element Midside Nodes → Kept（20节点六面体）⚙ ️ 三、裂纹定义与边界条件（操作截图级指引）嵌入半椭圆裂纹Crack Location：选择新建的坐标系 Major Axis=2mm（半长轴），Minor Axis=0.75mm（半短轴） Number of Contours=8（积分围道数） Model → 右键Insert → Fracture → Semi-Elliptical Crack 参数设置：载荷与约束步骤操作路径参数内压载荷 Static Structural → Insert → Pressure 3 MPa → 施加于管道内表面 轴向约束 一端面 → Insert → Fixed Support 完全固定 滑动约束 另一端面 → Insert → Displacement X/Y/Z=0, X方向Free（释放轴向位移） 温度场耦合（可选）：添加Thermal Condition → 设置温差ΔT=50℃ → 自动计算热应力💻 四、求解器设置与计算（加速收敛技巧）非线性控制Analysis Settings → Large Deflection → On（铝合金大变形需开启） Solver Controls → Weak Springs → Program Controlled（防刚体 位移） 自适应网格加密Adaptive Meshing → Max Refinement Loops=3 → 误差限2% 监控裂纹尖端：Solution → Insert → Stress Intensity Factor → 选择裂纹节点组📊 五、后处理关键结果提取（工程判据）断裂参数输出安全判定：若K_I ≥ 25 MPa·√m → 裂纹失稳！ K_I值曲线：Solution → Fracture Tool → 查看θ=90°（裂纹最深处）的K_I值 J积分验证：Insert → J-Integral → 弹塑性工况需>K_IC/√(E·σ_y) 疲劳寿命预测Fatigue Tool → 输入Paris公式参数（铝合金典型值C=1e-11, m=3） 查看Life云图 → 裂纹扩展至临界尺寸的循环次数️ 六、可复现性验证（必做步骤！）网格收敛性检验重复加密裂纹网格（0.02mm→0.01mm→0.005mm）→ 对比K_I变化率≤2%实验对标DIC检测裂纹张开位移 → 与仿真结果误差≤5%为合格来源：Ansys 实战训练