SolidWorks静力学有限元分析算例——闸板防喷器壳体的力学分析
1.写在前面
SolidWorks是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。由于以设计功能为主，故很多初用SolidWorks的朋友们认为它仅仅是一个建模软件，其实不然。SolidWorks软件功能强大，组件繁多，这里我们介绍它的其中一个功能——有限元分析，SolidWorks Simulation。需要说明的是，说到底，SolidWorks并不是以有限元分析为主的软件，所以它与ANSYS、ABAQUS等这些有限元分析元老级软件的内嵌程序与分析精度是无法相提并论的。但是SolidWorks也有它的优势，最主要的就是易于操作，SolidWorks的有限元分析操作步骤比起ANSYS等软件要简单易懂的多，对于初学者使用或者在工程应用方面，SolidWorks绝对可以在有限元分析中占有一席之地。
此处就以油气井钻井过程中很重要的一个井口部件——闸板防喷器的壳体为研究对象，运用SolidWorks对它在带压作业过程中的受力及变形等进行有限元仿真分析操作。这是前几年知乎分享的一个案例，现在分享给大家，希望对初学者朋友们有所帮助。
在此之前简单介绍下闸板防喷器。闸板防喷器是井控设备的核心装置，它的各组成部件的结构强度和密封件的密封能力、寿命成为井控设备的关键因素。防喷器的闸板密封工作时，下部承受着井筒中高压流体的作用，上部基本上无压力，或接近大气压力，因此闸板上下受力及其不平衡。如果不采取合理措施，当接箍要通过闸板防喷器时，直接将防喷器的密封闸板打开，井中的高压流体将突然释放，对防喷器及其密封闸板将会造成剧烈的冲击，不但会损坏防喷器的密封，而且会对大大降低其工作寿命。顾名思义，防喷器就是防井喷，为了防喷，承受的流体压力会很大。
2.防喷器壳体SolidWorks Simulation分析详细步骤
我用的是2012版的SolidWorks，打开后初始界面如下图所示。
这里需要说明的是，Simulation是SolidWorks中的一个组件，如果你装了SolidWorks后，CommandManager的办公室产品里SolidWorks Simulation这一项是灰色的，代表此插件你没有安装成功，你需要进行修复，记住只修复SolidWorks本身即可，具体的步骤可以百度，百度上的修复步骤大多数都是可以实现的。
插件安装成功后，打开SolidWorks，在CommandManager会有如下列表：
闸板防喷器的模型我是事先建好的，保存为step格式的零件。现导入到SolidWorks中，点击如图图标，打开对应路径，在文件类型中选择step格式，打开防喷器壳体零件文件。
之后会弹出如图对话框，点击默认的确定即可。
确定后会出现如图截面，防喷器壳体零件已成功导入，此时点击左上角“输入诊断”下方的绿色对勾，代表几何体中无错误面或缝隙存留。
点击CommandManager中的办公室产品，点击SolidWorks Simulation，会发现在办公室产品下方会出现一项Simulation，表示已经在本次使用中激活了该插件（每次开启软件都需重新激活才能使用）。在Simulation的算例顾问中点击新算例。
之后会弹出如下对话框，算例类型选择默认的静态，因为我们要做的就是静力分析，点绿色对勾确认。
紧接着，设置壳体材料。点击算例顾问下方的应用材料，弹出材料属性对话框，我选择的是合金钢，合金钢能够承受较高的压力，硬度可以达到207～237HB，屈服强度可达约620MPa，基本满足常规带压作业要求。具体的材料属性下表已列出。点击应用，关闭。
设置约束。材料设置下方是夹具顾问，选择下拉列表中的固定几何体。会出现如图所示对话框。
显而易见，壳体上、下端面法兰上的孔均通过螺栓与带压作业系统的其他部件连接，左右两侧通过螺栓与铰链总成连接，侧面与侧门通过螺栓连接，因此在各连接螺栓所在位置施加约束，限制其移动和转动现象的发生，如图所示。
设置壳体受到的载荷。点击外部载荷顾问，选择下拉列表中的压力。
出现如下对话框。
改变单位为兆帕，数值为41（某实例井数据）。
如图所示设置壳体内的载荷，点击绿色对勾确认。
生成网格。网格密度设置为良好（即使是良好，质量其实也很一般，所以说它与专门的有限元分析软件没法比，但是精确度不要求很高的时候，SolidWorks简单的多）。
点击绿色对勾生成网格。
假如你需要做毕业设计，其中的一些数据是可以列举到正文中的，比如：生成的模型节点数为144996个，生成单元总数为96415个，最大高宽比例为19.54等。
点击运行，进行计算。
关于图例。我们模拟时使用的单位是兆帕MPa，但是图例默认的单位是Pa，我们需要转换单位，使图例更清晰明了。点击结果中的Von Mises应力，下拉列表中选择编辑定义。
弹出如下对话框。
可以发现，图例的单位变为兆帕。
需要说明的是，程序默认的项目是Von Mises应力，但是在下拉列表中我们可以自行选择需要分析的项目。
此时图例中应力的数值大小是保留了一位有效数字，如果觉得不够精确的话，可以进行修改，或者觉得浮点表示不舒服，改为科学计数法表示也可以。操作就是双击图例，会弹出如下对话框。
改变有效数字位数可以在X.XXX处进行修改。如果想改为科学计数法表示，在上方将浮点改为科学即可。具体的操作和效果如图。
三位有效数字：
科学计数法表示：
在这一对话框中还可以显示应力最大注解，即应力最大出现在模型的何处，数值为多少。如图。应力最小注解操作与之类似。
该算例的应力最大处出现在通颈的内部，在外部看不到，需要将模型剖开。操作为：点击结果中的Von Mises应力，下拉列表中选择截面剪裁。
弹出如图对话框。
相应的应力云图也随着变化，默认剪裁方式如图。
假设我们现在想观察刚才提到的通颈处的应力最大处应力分布情况，可以调节对话框中三个方向的倾斜角度，例如将Y方向上调90°。
可以得到如图所示的应力云图，图中可以清楚的看到通颈位置的应力分布情况。
但是该云图看上去很乱，有模型的轮廓，还有剪裁平面，我们需要一一隐去，来实现应力云图的清晰。剪裁平面的隐去十分简单，只要在对话框下方的选项中取消对显示横截面的勾选就可以了。
弹出如图对话框。
在边界选项中，程序默认为“模型”，我们可以在下拉列表中选择“无”，即可消除轮廓线，如图所示。
此时显示的应力云图是连续的，我们可以采用离散表示。将边缘选项中的连续设置为离散，如图所示，对于应力的分布情况会更加清晰一些。或者是设置为直线均可，根据自己分析的方向和目的进行后处理。
如果想得到任意位置的应力大小，可以运用探测功能。点击结果中的Von Mises应力，下拉列表中选择探测。
此时在模型中任意位置点击鼠标左键，会出现这一位置的节点（单元）号，X、Y、Z位置坐标以及应力数值大小。
以上是大体上运用SolidWorks Simulation对于闸板防喷器壳体的有限元分析过程，步骤很简单，也可以基本得到想要的模拟结果与数据，对于有限元初学者来讲易于上手，对于本科毕业设计等，也可以使论文内容变得更加丰富一些。如果是想要专攻有限元仿真的话，当然建议还是学习ANSYS这一类软件，虽然上手不太容易，但毕竟功能强大的多。
本案例暂结，希望对大家有所帮助
