背景与挑战

在工程中，有限元法(FEM)是用来评估薄壁结构性能的一种常用分析方法，建立薄壁结构的有限元模型涉及到中面模型的抽取和壳单元网格划分。一般来说，创建有限元模型往往需要几个小时至几天，非常耗时。幸运的是，使用MSC Apex软件创建有限元模型，与其他传统的CAE前后处理器相比，可以更快地帮助生成中面模型，除此之外在MSC Apex中还可以进行强度分析。

解决方案

图1为原始模型，有许多部件具有薄壁结构的特征。通过使用MSC Apex的“中间面”功能，可以在几秒钟内创建整个模型的中面模型。此外，在“延伸面”的帮助下，自动缝合边缘。“延伸面”未捕获的少数剩余边可以通过手动拖拽边缘进行连接，最后用壳单元对中面模型进行网格划分。

图 1: 左侧: 原始实体模型, 右侧: 中面模型

对于薄壁结构，与实体网格相比，壳网格用更少的单元可以产生更精确的结果。为了显示网格细节，将顶部整个网格模型的右侧的一部分放大显示，如图2所示。

图 2: 网格

随后定义材料参数，线性静力分析只需要杨氏模量和泊松比，壁厚可以手动指定，也可以通过识别原始几何模型自动获取。对于本例的边界条件，将十个支柱的底部作为完全固定约束，并考虑电厂冷却水压力，管上内表面施加0.74 MPa的压力，所有边界条件如图3所示。然后运行仿真计算，通过MSC Apex Structures使用基于MSC Nastran技术的集成求解器。

图3：约束

亮点与优势：

• 几何易于编辑，快速构建有限元模型。
• 对有限元模型中的材料，属性，网格一致性，连接以及边界条件进行验证。

• 有限元模型可以从MSC Apex导出，并在单独的前/后处理器中使用。

结  果

图4：变形云图

图4显示了变形结果。左边是真实比例的变形，未变形的几何图形显示为蓝色，而变形的几何图形用红色标记。由于变形与模型尺寸相比非常小，在真实缩放时变形是看不到的，所以在图片中，变形被放大为模型最大尺寸的5%，很明显，最大的位移出现在管的左端。

图5：冯·米塞斯应力云图

图5显示了冯·米塞斯的应力云图。最大应力的位置用暗红色标出，很明显，这些危险部位通常在接头部位。因此，如果要进行优化设计，需要密切关注这些节点。如需要更详细的建模，在局部使用更精细的网格，MSC Nastran可以进行后续疲劳分析或壁厚优化。