一种可变厚度的弯管有限元分析建模方法与流程

本申请属于弯管设计领域，特别涉及一种可变厚度的弯管有限元分析建模方法。

背景技术：

1、弯管在弯曲成型过程中存在折弯处壁厚分布不均的情况，折弯处一侧管壁加厚、一侧管壁减薄。常规的数值仿真一般忽略折弯处壁厚分布不均的影响，将整根弯管视为与直管相同的等壁厚模型。

2、但实际折弯过程中，壁厚的变化可能会达到15％的量级，航空发动机通常使用薄壁弯管，15％的壁厚减薄量对于强度薄弱处影响非常大。还具有如下缺点：

3、1)实体元弯管有限元模型不便于参数化实现，基本属于非结构化网格；管单元弯管有限元模型在有限元模拟中实际为一条曲线，无法体现其截面沿圆周的厚度差异。

4、2)通过物理模型建立的变厚度模型，无法实现参数化，不便于开展后续的模型调整和大量的计算迭代工作。

5、因此应建立一种可变厚度的弯管有限元分析建模方法，且需能够通过程序化语言实现参数化建模，便于快速实现后续的模型调整及大量的计算迭代工作。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供了一种可变厚度的弯管有限元分析建模方法，以解决现有的弯管在弯曲成型过程中存在折弯处壁厚分布不均的问题。

2、本申请的技术方案是：一种可变厚度的弯管有限元分析建模方法，包括：

3、采用壳单元对弯管进行模拟，将弯管中心线划分为等分的n段，对任一分段截面沿周向划分为等分的m段，该弯管的有限元网格数量为n*m个，形成四边形结构化网格；

4、获取四边形结构化网格弯管中心线沿程节点坐标，弯管中心线沿程节点坐标通过折弯半径rw与角度θ确定；

5、将弯管在周向截面的壁厚看做偏心圆，根据弯管中心线沿程节点坐标对偏心圆进行求解，确定各截面沿周向分布的壳单元壁厚；

6、在流体流量充盈时，壳单元的节点设置在弯管内径，而后根据各截面沿周向分布的壳单元壁厚确定单元格对齐方式，并进行单元格对齐。

7、优选地，确定各截面沿周向分布的壳单元壁厚的具体方法为：将弯管坐标原点可设定为弯管内壁圆心oa，oa与弯管外壁圆心ob连线作为角度α的起始线，ra为弯管内壁半径，rb为弯管外壁半径，各角向壁厚h的最大值hmax位于oa与ob连线的一端，另一端为壁厚h的最小值。

8、优选地，各截面各角向壁厚h通过该截面沿周向分布角度α与偏心量e确定，弯管中心线上各点对应的截面均为偏心圆，任一截面上任一点壁厚h为

9、h(i,j)＝c+e(i)cosα(j)

10、i＝1,2,…,n

11、j＝1,2,…,m

12、其中，c表示导管折弯前壁厚，即rb与ra的差值，e(i)表示该截面偏心量；

13、各截面的偏心量e(i)根据折弯过程中截面所在折弯区域确定，其是沿弯管中心线分布角度θ的三角函数；

14、e(i)＝emaxsinωθ(i)

15、其中

16、ωθmax＝π

17、emax的取值与管材折弯能力、折弯工艺水平、折弯半径rw及折弯角度θmax相关。

18、优选地，采用柱坐标系描述弯管中心线沿程节点坐标。

19、优选地，对于四边形结构化网格，进一步设定沿弯管中心线和沿弯管截面周向的最小弧度限制值，具体为：沿弯管中心线的最小弧度分段小于等于1°，即沿弯管截面周向的最小弧度分段小于等于6°，即弯管径向分层至少需划分3层。

20、优选地，在流体流量小于第二流量设定值时，可将壳单元的节点设置在弯管外径；当流体流量小于等于第一流量设定值大于等于第二流量设定值时，将壳单元的节点设置在弯管中性面。

21、本申请的可变厚度的弯管有限元分析建模方法，1)能够考虑折弯处壁厚分布不均的影响，改进了弯管有限元模型的关键建模步骤。

22、2)壳单元弯管有限元模型为严格的四边形结构化网格，有利于保证后续的计算精度，且可通过设置壳单元沿径向的分层数量模拟沿管路厚度方向的变形效果。

23、3)通过程序化语言实现参数化建模，便于快速实现后续的模型调整及大量的计算迭代工作。

技术特征：

1.一种可变厚度的弯管有限元分析建模方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的可变厚度的弯管有限元分析建模方法，其特征在于，确定各截面沿周向分布的壳单元壁厚的具体方法为：将弯管坐标原点可设定为弯管内壁圆心oa，oa与弯管外壁圆心ob连线作为角度α的起始线，ra为弯管内壁半径，rb为弯管外壁半径，各角向壁厚h的最大值hmax位于oa与ob连线的一端，另一端为壁厚h的最小值。

3.如权利要求2所述的可变厚度的弯管有限元分析建模方法，其特征在于：各截面各角向壁厚h通过该截面沿周向分布角度α与偏心量e确定，弯管中心线上各点对应的截面均为偏心圆，任一截面上任一点壁厚h为

4.如权利要求1所述的可变厚度的弯管有限元分析建模方法，其特征在于：采用柱坐标系描述弯管中心线沿程节点坐标。

5.如权利要求1所述的可变厚度的弯管有限元分析建模方法，其特征在于，对于四边形结构化网格，进一步设定沿弯管中心线和沿弯管截面周向的最小弧度限制值，具体为：沿弯管中心线的最小弧度分段小于等于1°，即沿弯管截面周向的最小弧度分段小于等于6°，即弯管径向分层至少需划分3层。

6.如权利要求1所述的可变厚度的弯管有限元分析建模方法，其特征在于：在流体流量小于第二流量设定值时，可将壳单元的节点设置在弯管外径；当流体流量小于等于第一流量设定值大于等于第二流量设定值时，将壳单元的节点设置在弯管中性面。

技术总结本申请属于弯管设计领域，为一种可变厚度的弯管有限元分析建模方法，采用壳单元对弯管进行模拟，将弯管数据化为四边形结构化网络，能够考虑折弯处壁厚分布不均的影响，改进了弯管有限元模型的关键建模步骤。获取四边形结构化网格弯管中心线沿程节点坐标，并将弯管在周向截面的壁厚看做偏心圆，确定各截面沿周向分布的壳单元壁厚；而后根据各截面沿周向分布的壳单元壁厚确定单元格对齐方式，并进行单元格对齐。有利于保证后续的计算精度，且可通过设置壳单元沿径向的分层数量模拟沿管路厚度方向的变形效果。通过程序化语言实现参数化建模，便于快速实现后续的模型调整及大量的计算迭代工作。技术研发人员：赵会民,罗鹏,贾瑞琦,赵普扬,吴子奇受保护的技术使用者：中国航发沈阳发动机研究所技术研发日：技术公布日：2024/11/14