COMSOL软件在螺纹管件装配应力分析中的应用

每年，全球各地安装的喷水灭火器系统超过 4000 万套。灭火系统能够保护生命财产安全，得益于其耐高温、抗器械损伤的管道设计。

管道设计普遍选用螺纹钢管，然而后者精细的几何结构给分析复杂管道设计带来了不少难题。采用什么方法才能有效地将精密的结构设计和可靠的应力分析结合起来的呢？COMSOL® 软件提供了这项专业功能。

螺纹结构的复杂性

假设你刚刚为上文提及的螺纹钢管创建了管件 CAD 装配。现在为了更好地了解管件在管道系统中的性能表现，你需要对装配进行应力分析。利用 LiveLink™ 接口产品，你可以将 COMSOL Multiphysics® 软件集成到自己设计流程中，从而实现类似的分析。

使用 COMSOL 软件分析装配中螺纹管件的应力的图1

螺纹管在喷水灭火器系统中很常见。图片处于公有领域，通过 Wikimedia Commons 共享。

螺纹结构包含了大量的细节。这些 CAD 装配极其复杂，迫使我们进行大量的预处理工作，而且其分析过程也会占用更多的计算资源。一种解决方案是假定螺纹为对称图形，然后从三维实体中截取二维截面以进行求解。

在 COMSOL® 软件之前的版本中，同步后，我们不得不重新手动定义原始几何中的选择，这是一个耗时的过程。5.3 版对此进行了改进，提高了创建 CAD 装配选择的效率。所有相关的选择均可自动加载，然后在 COMSOL Multiphysics 环境中被指派到合适的地方。这使得运行参数化研究、基于二维分析改进三维设计成为可能。

想要参考第一手案例吗？好消息：“案例下载”的最新教学模型重点演示了这项功能。

注意：今天的示例使用的是 LiveLink™ for SOLIDWORKS®，在 LiveLink™ for Inventor® 也拥有此功能。更多细节请参见 COMSOL Multiphysics 5.3 版发布亮点。

对螺纹管装置进行降阶应力分析

在本例中，你可以通过 LiveLink™ for SOLIDWORKS® 将 SOLIDWORKS® 软件中的完整螺纹管装置模型同步到 COMSOL Desktop® 环境中。为了计算降阶应力分析，你需要利用横截面节点从三维模型中截取二维截面。该分析假定对外螺纹零件施加 5000 Nm 的扭矩（如下图所示）。在设计中，外螺纹与其他零件均由相同的钢材制成。

使用 COMSOL 软件分析装配中螺纹管件的应力的图2

使用 COMSOL 软件分析装配中螺纹管件的应力的图3

上：同步到 COMSOL Multiphysics 的完整三维装配。下：为进行应力分析而截取的二维截面。

为了计算装配中每个零件之间的力传递，模型使用了构造接触。在 SOLIDWORKS® 软件中，这些接触面被定义为面选择。装配同步之后，所有的选择被自动传递到了二维轴对称模型中。这简化了接触对的创建过程，因为我们不再需要手动逐个选定相互接触的边界实体。尤其是对于螺纹，你只需要在 SOLIDWORKS® 软件中为两个面创建一个选择，不再需要在二维轴对称模型中选定十五条边。

下图为应力分析结果。我们可以看到施加了最大扭矩（5000 Nm）时的 von Mises应力。绘图表明，应力的最大值小于使用 A 级 10.9 级合金钢时的检测值，这说明管件设计可以使用此材料。

使用 COMSOL 软件分析装配中螺纹管件的应力的图4

仿真绘图显示了施加了最大扭矩后的 von Mises 应力。