胶管接头扣压成型的力学分析之有限元分析

本文考虑的是为 <19通径的胶管接头的扣压成型 ,由于套筒、芯子的尺寸非常复杂,画图比较麻烦,在本次有限元分析中采用了APDL参数化设计[5]
,只要更改其中某些参数, 马上就可以化出同类套筒和芯子 ,从而有利于不同模型的快速建模,考虑到该模型比较复杂,有必要采取简化。本文采用轴对称结构平面单元来模拟其在某一扣压力作用下的应力应变的大小与分布规律 , 芯子和套筒采用 QUAD4NODE182 单元 , 内胶采用 MOONEY-RIVLIN2D4NODEHYPE56单元 , 钢丝层和中胶层定义为复合材料用 QUAD4NODE182 单元 , 中间的结束用TARGE169 目标单元和 CONTA172 接触单元进行模拟。采用位移加载法,给套筒外表面,加 1.5mm的径△p =σs ln
b′
a′ =
1
2
σs ln (1+
b2
- a2
a′ 2 )( 2)
式中△p —塑性极限压差载荷;
a′—筒体变形后的内半径。
3 橡胶层应力分析
橡胶层由于几何及作用力的对称性, 可用橡胶板的压缩理论加以分析。考虑形状效应,由 Gent 方法得:σ= Ec (1-δ)
-2
- (1-δ) /3 (3)
4 复合管应力分析
根据变形协调条件, 套管与纤维增强层及橡胶层之间接触处径向位移一致,故有w =δh r a = a′ +δhr (4)式中δ为压缩量,h r为橡胶层厚度。综合式(1)～(4)可得压缩量与扣压力的关系式:6 (1 + 2.22 (
l
2h r
)
2
) Em [ (1 - δ)
- 2
- (1 - δ) ]/3 (5)
向位移 ,定义好约束后求解,从而确定所需扣压力以及应力应变。图 2为其网格化后的单元,共生成 2480个节点 ,2572个元素进行分析定义 166个子步进行套筒明显发生了塑性变形,而芯子只是发生了弹性变形。在进行后处理时采用FSUM命令可以计算出所需扣压力为F=1565489N。从得出的位移列阵和扣压力列阵, 可以确定套筒外表面的位移与扣压力的关系如图 4, 从图中可以看出 ,其扣压力随着扣压量的增大不断近似线性递,其在开始的小位移阶段, 主要表现为套筒和钢丝层的弹性变形, 呈明显的线性特性, 随着扣压量的增大,由于钢丝层,内胶层以及芯子的变形,出现了一定的非线性。