高压平盖封头结构有限元分析研究

1 高压平盖封头结构有限元分析研究 论文 第 一章 有限元分析 件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 发，它能与多数 件接口，实现数据的共享和交换，如 I 。 是现代产品设计中的高级 具之一。 限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可 应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。 件提供的分析类型有结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等 9 类，软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。 前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和 高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 应用 供的立体问题单元对力学问题进行模拟分析是我们的课题中将采用的主要方法。 对于有限单元法的解法而言，从求解问题的性质上可以归结为三类，即独立于时间的平衡问题 （或稳态问题）、特征值问题、依赖于时间的瞬态问题。这三类问题，从方程自身性质考虑，还存在对应的非线性情形，非线性可以是由材料性质，变形状态和边界接触条件引起的，分别成为材料、几何、边界非线性。求解非线性有限元问题的算法研究主要有以下几种： （ 1）采用 法或修正 法等将非线性方程转化为一系列线性方程进行迭代求解，并结合加速方法提高迭代收敛的速度。 （ 2）采用预测 定加载过程中材料的应力应变的演化过程 。 2 （ 3）采用广义弧长法等时间步长控制方法和临界点搜索、识别方法，对非线性载荷 （ 4）采用拉格朗日（ 子法、罚函数法或直接引入法，将接触面条件引入泛函，求解接触和碰撞问题。 最后应指出，由于有限元法解题的规模越来越大，为了缩短解题的周期，基于并行计算机和并行计算软件系统的有限元并行算法，近年来得到很大发展。作为优化产品研发流程的仿真技术及软件的开发者和革新者， 司 2005年 6 月 2 日发布 版本。我们的对切削加工的受力问题的研究将在台下开展。 第二章 介 件 是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用 有限元分析软件 。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 发，它能与多数 件接口 ，实现数据的共享和交换，如 I ， 是现代产品设计中的高级 具之一。 技术种类 技术种类有很多，其中包括 有限元法 ( 边界元法 ( 有限差法 ( 。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。 限元 软件 包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因 3 此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、 微机电系统 、运动器械等。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供 了一个强大的实体建模及 网格 划分工具，用户可以方便地构造有限元模型； 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半 透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线 形式显示或输出。 软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 布 版本 美国 宾夕法尼亚州 6 月 2 日消息：作为优化产品研发流程的仿真技术及软件的开发者和革新者， 司（纳斯达克股票代号： 天发布 版本。新版本在性能、易用 4 性、协同工作及耦合技术，如流固耦合，等方面有很大提高。 其有很好的兼容性，将于 7 月正式投入市场。 延续了 贯强大的耦合场技术， 本为复杂的流固耦合（ 题提供了更完善的解决 方案。该版本整合了世界一流的应力分析和流体分析技术，形成了一套完整的 决方案。通过适合于特定场要求的网格划分，一个单一的几何体可以应用于两种场。该版本提供了有效地解决 力学分析的信息交换功能。目前市场上没有任何其他的 件可以提供如此强大的稳健性和高度的精确性分析。另外，该版本可以在多个机群进行并行处理解决超大模型。 “表了最先进的 合技术，较 了显着的提高 ” ， ， “ 我们一直致力于拓展 真 技术的广度和深度，同时建立各种类型的仿真分析软件的空前 大连 盟。得益于 合 术的架构，我们创建了建模、仿真、分析、前后处理的一系列无缝链接。 版本整合了世界上最优秀的结构、热、流体等分析功能。 ” 入了旋转机械和叶片设计工具，丰富了境下的行业化功能。即 款针 对旋转机械叶片构件的高效的三维设计工具；以及 款高质量的叶片设计六面体网格划分工具。 5 “ 结合了 涡轮专用的前后处理 能， ”司副总裁兼总经理 ， “ 应力分析、计算流体动力学分析或流固耦合分析的模型可以直接建立，通过 以把模型扩展到上下游部件，最终完成整个模型的分析。 提供此功能上独一无二的环境，借此空气动力学工程师可以进 行 计，同时确认结构特征。这将大幅度缩短设计流程。 ” 在机械应用领域， 括了 全部的热瞬态分析功能。这不仅帮助用户进行非常复杂的时域仿真，同时 可自动完成很多建模和求解工作。这样可以轻松快速地求解设备在一定运行时间内的热性能。 为了满足日益增加的对大型复杂问题及时有效的分析需求，并行求解器如今可增加了对 通信技术的选择余地。除了支持 支持 对于以前的架构， 本着以低成本硬件设备提供高性能解决方案的目标， 可支持 P 64 位机的 片集。此项改革解决了许多用户在 作系统 下运行大型模型所面临的 2存限制。另外，它也使 得 户不再需要写硬盘就能完成整个求解，从而节约求解时间。 6 对于用户，这将帮助他们更加经济有效地解决大型模型问题，如那些低频稳态和全瞬态电磁分析问题。 行求解器可以解决高于一亿自由度的大型电磁问题，在 在高频电磁领域， 本提供了一个新的模式端口。此端口大大简化了集成电路（ 射频识别 (射频微机电系统 (多种设备分析传输线端口的建模。标准算例显示，利用此端口建模，可以显着缩小模型尺寸，在保证精确的频域计算结果前提下， 节约 30到 50的求解时间和内存需求。 新版本增加了旋转机械的陀螺效应，它提高了 涡轮机械和其他 旋转结构 的转子动力学分析的能力。 在耦合场领域，结构热电磁三场耦合分析中增加热弹阻尼 (一个在金属、制陶及 域非常重要的内耗装置。 续 旋律，提供我们的用户可供选择的全自动或个人控制的强大分析软件。我们在核 心的网格处理技术上有十足的增强，在 个 应用程序 间共享网格。另外，双向参数互动的 口的稳健性也得到了提高。过混合网格剖分新功能和 型细节处理功能，提供了完整的一系列网格划分工具以模拟真实世界，如汽车引擎罩下的散热分析和汽车碰撞分析。 “ 出的又一大 步，在每种场都是这样，也包括各种场在 耦合， ”司副总裁兼总经理 ， “ 没有其他任何一家 司可以与 7 我们相匹敌，在一个单一的 ” 通过 计工程师可以在产品设计阶段对 3D 括零件和装配件）进行应力变形分析、热及 热应力 耦合分析、振动分析和形状优化，同时可对不同的工况进行对比分析。 有智能化的非线性求解专家系统，可自动设定求解控制，得到收敛解；用户不需具备非线性有限元知识即可完成过去只有专家才能完成的接触分析。 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影 响并不显著的问题。 序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。 进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。 8 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。序可求解静 态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的 运动特性 ，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析 。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。 体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产 生压力、流率和温度分布的图形 9 显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。 用于分析二维或三维结构对 流）、 流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、 麦克风 等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型； 前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。 10 序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球 、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块 、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用 布尔 运算来组合数据集，从而 “ 雕塑出 ” 一个实体模型。 S 程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作 能减少相当可观的建模工作量。 伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括 圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和 删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模 型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。 二 序提供了使用便捷、高质量的对 括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由 划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后 选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型 11 直接划分，避免了 用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。 自适应网格 划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户 指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差 低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟 多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如 目前最新版本 同级别的软件还有 ， ， 有流体计算模块， 12 三 在 荷包括边界条件和外部或内部作用力函数，在不同的分析领域中有不同的表征，但基本上可以分为 6 大类：自由度约束、力（集中载荷）、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。 1、自由度约束（ :将给定的自由度用已知量表示。例如在结构分析中约束是指位移和 对称边界条件，而在热力学分析中则指的是温度和热通量平行的边界条件。 2、力（集中载荷）（ 是指施加于模型节点上的集中载荷或者施加于实体模型边界上的载荷。例如结构分析中的力和力矩，热力分析中的热流速度，磁场分析中的电流段。 3、面载荷（ :是指施加于某个面上的分布载荷。例如结构分析中的压力，热力学分析中的对流和热通量。 4、体载荷（ :是指体积或场载荷。例如需要考虑的重力，热力分析中的热生成速度。 5、惯性载荷（ :是指由物体的惯性而引起的载荷。例如重力加速度、角速度、角加速度引起的惯性力。 6、耦合场载荷（ :是一种特殊的载荷，是考虑到一种分析的结果，并将该结果作为另外一个分析的载荷。例如将磁场分析中计算得到的磁力作为结构分析中的力载荷。 13 (立于 1970 年，致力于工程仿真软件 和技术的研发，在全球众多行业中，被工程师和 设计师 广泛采用。 司重点开发开放、灵活的，对设计直接进行仿真的解决方案，提供从概念设计到最终测试产品研发全过程的统一平台，同时追求快速、高效和和成本意识的产品开发。 训和技术支持一体化服务。 司总部位于美国宾夕法尼亚州的 匹兹堡 ，全球拥有 60 多个代理。 球有 1700 多名员工，在 40多个国家销售产品。 006年收购了在流体仿真领域处于领导地位的美国 司，于 2008 年收购了在电路和电磁仿真领域处于领导地位的美国 司。通过整合， 司成为全球最大的仿真软件公司。目前， 个产品线包括 结构分析(列， 流体动力学 ()系列，电子设计（ 列以及 品广泛应用于航空、航天、电子、车辆、船舶、交通、通信、建筑、电子、医疗、国防、石油、化工等众多行业。 国 是 上海 ，北京， 成都 和深圳设有分公司，负责 前在中国， 子设计系列产品 (原 由 国直接负责市场、销售与技术服务等。 械和流体仿真设计产品以及 14 品由渠道合作伙伴安世亚太科技有限公司（ 责销售与技术支持。 第三章 高压平盖封头结构的有限元分析 立力学分析模型 图 3平头盖结构的示意图，承受的内压力为 P=10定封头该的材料为 35械设计手册可以查得： 弹性模量1E=206松比1=体的材料为 16机械设计手册可以查得： 弹性模量2E=206松比2=15 图 3压平头盖结构的示意图 由于封头结构具有轴对称性，其载荷也具有轴对称性。因此他是一个轴对称问题。选用 件中的 元来进行分析，通过简化后，封头结构有限元分析的力学模型如图 3 16 图 3头结构的力学模型 输入命令流： ！退出当前处理器 / ！清除当前设置 / ！进入前处理器 , ! 选取单元 ,3,1 !将单元设置为轴对称单元 , ,0 X,1, ！ 35 17 , ！ 35, ！ 16X,2, ！ 16验输入结果 面找到“ 的“ 项如图 3示。出现对话框 3取 命令，弹出对话框3料参数选取正确。 图 3 图 318 图 3元及其材料选取结果 2. 在 面找到 选取 下的命令，弹出 对话框 3图 3取对话框中 下的 命令弹出对话框 3此可知材料输入正确。 19 图 3立几何模型 由于是轴对称问题，在有限元分析模型时，只要建立图 3了显示其轴对称性，建立的图形绕轴线旋转即可得到三维结构。 生成图形的命令流为： 1. *,1000 2. ,580/H,0,800/H， 生成矩形面一如图 3 20 图 3形面 3. ,500/H,0,300/H, 生成矩形面二结果如图 3 21 图 3. ,450/H,300/H,650/H, 生成矩形面三结果如图 3 22 图 3. . 1,10,200/H, 对内部轮廓线进行倒角操作结果如图 3示： 23 图 3. ,9 连线结果如图 3示： 图 324 8. ,1 面由线分开结果如图 3 图 3. ,7 10. ,1 删除面及下面的线和关键点结果如图 3示： 25 图 31. ,1 图 326 12. ,1 图 33. 相加操作结果如图 3 27 图 3相加 14. ,2,150/H, 对外轮廓线进行倒角运算结果如图 3 图 328 15. ,4 16. ,1 生成的封头剖面结果如图 3示： 图 3分网格 为了保证生成的网格是规则的并施加不同的材料性能，必须要对封头面尽心一些分割 。对分割后的面采用映射方式生成网格，其操作过程的命令操作如下： 1. ,7,90,0,. ,9,90,0,. ,5,90,0,29 由点向线作垂线结果如图 3示： 图 3. ,8 5. ,10 6. ,13 面由线分开成两部分结果如图 3示： 30 图 3. ！设置所有面的默认属性 8. 9. , 10. ,1 ！对面号 1的面设置为第二种材料 11. ,1,0 12. ！选择所有的实体 13. ,5,1 14. 0,5,1 15. 3,5,1 16. 8,5,1 17. ,8,1 18 ,4,1 31 19 1,8,1 20 ,14,1 图 31 ,3,4, 22 ,3 23 ,4 ,9 25 51X 26 ！设置为映射网格划分方式 27 对所有的面进行网格划分结果显示如图 3 32 图 3格划分 28. 加载荷 首先进入到 3 施加载荷的命令操作为： 1. / ！进入到求解器 2. 8,施加 Y 方向的约束，结果显示如图 3 33 图 3加 Y 方向约束 3. 9,. ,5. ,6. ,7. 1,施加载荷结果显示如图 3示： 34 图 3加约束 解 求解的命令操作为： 1. . 加求解计算，求解计算完成时出现对话框如图 3图 335 第四章 查看分析结果 用 行完求解计算后，我们就可以在后处理器中查看位移（沿坐标方向的位移）以及总位移分布图（包括各应力分量、主应力和 4 1 总位移分布 首先我们要进入后处理器其操作命令为： 1. /看总位移分布其操作命令为： 2. ,1 结果显示如图 4 图 4移分布图 36 4 2 查看 X 轴方向的位移分布 查看 X 轴方向的位移分布其操作命令为： 3. ,X,0,1 结果显示如图 4 图 4X 方向的位移分布 4 3 查看 4. ,1 结果显示如图 4 37 图 4X 方向的应力分布图 龚曙光 例题 538 图 平盖封头结构示意图 39 /T,1,3,1 , ,0 X,1,X,2,1000 ,580/H,0,800/H ,500/H,0,300/H, ,450/H,300/H,650/H, 1,10,200/H, ,9 ,1 ,7 ,1 ,1 ,1 ,2,150/H, ,4 ,1 ,7,90,0,9,90,0,5,90,0,8 ,10 ,13 , ,1 40 ,1,0 ,5,1 0,5,1 3,5,1 8,5,1 ,8,1 ,4,1 1,8,1 ,14,1 ,3,4, ,3 ,9 51X L,18,9,1,三章 高压平盖封头结构的分析 41 2 3 42 4 5 43 6 7 44 8 9 45 10 11 46 12 13 47 14 15 48 16 17 49 18 19 50 20 21 51 22 23 52