О применении давления в зазоре

Если при расчётах прочности вам встречались модели, в которых присутствовали фланцевые соединения, в которых в результате работы могут образоваться зазоры и щели, то данная статья будет вам полезна.

В начальный момент времени соединение не имеет зазора между стянутыми поверхностями, но при возрастании давления зазор может появиться. В реальности на вновь открывшиеся поверхности начнёт действовать давление, ещё сильнее открывая зазор, поэтому для получения точных результатов при расчёте необходимо учесть этот эффект. Описанию подхода, позволяющему учитывать такое давление, и посвящена данная статья.

Рассмотрим пример, в котором две трубы стянуты по фланцу при помощи болта.

Для реализации давления, действующего как на изначальные области приложения, так и на поверхности в открывающемся зазоре, нам понадобится контактная пара. Контактная пара должна позволять поверхностям разъединяться, поэтому её тип следует установить как Frictional или Frictionless. Контактная область, а соответственно и расположение её контактных элементов показаны на рисунке 1.

Рисунок 1. Контактная область сектора соединения

Внутри трубы действует давление, поэтому понадобится усилие в болте, которое не будет позволять фланцу раскрыться и начать пропускать (виртуальное) содержимое наружу. Проверить образовался между поверхностями зазор или нет можно при помощи вывода результата Contact Status. Статус контакта для решённого примера с давлением только внутри трубы показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Результаты для модели без давления на зазор в фланце

По рисунку можно видеть, что сдерживаемая жидкость или газ не имеет выхода во вне, но так как в расчёте не было учтено, что на открытые (жёлтые на рисунке 2) поверхности также действует давление среды, то считать результаты окончательными нельзя.

Учесть давление на открытые области контакта может оказаться сложно потому что площадь и расположение этих областей изначально неизвестны и изменяются с ростом давления.

Хорошая новость состоит в том, что ANSYS может прикладывать давление на контактные элементы и, более того, только на те контактные элементы, статус которых открыт. Область приложения давления будет обновляться с каждым приращением нагрузки и тем самым давление будет «двигаться» с момента появления зазора и вместе с его увеличением.Для того, чтобы задать такое хитрое давление нужно использовать MAPDL командную вставку со следующим текстом:

!Давление
p_load=400
!
!Выбираем два именованных набора (Named Selections) узлов контактных поверхностей
!Узловые именованные наборы можно получить из именованных наборов, 
!состоящих из поверхностей, при помощи функции "Convert to nodal selection"
cmsel,s,Contact
cmsel,a,Target
!
!Выбираем элементы, которые относятся к узлам
esln,s,1
!
!Теперь выбираем только контактные элементы Conta174
esel,r,ename,,174
!
!Прикладываем давление к поверхностям контактных элементов
sfe,all,,pres,,p_load
!
!Не забываем снова выбрать всю модель
allsel

На рисунке 3 показано сравнение результатов – статус контакта с применением давления в открывшихся поверхностях и без него. Разница значительная. Уточнённый расчёт показал, что фланец не выдерживает нагрузки, поэтому внутренняя среда начнёт просачиваться в новообразованные щели.