基于有限元應(yīng)力分析的轉(zhuǎn)鼓設(shè)計的研究

2018-07-12 17:35:05 點擊量：

轉(zhuǎn)鼓是離心機的關(guān)鍵部件。轉(zhuǎn)鼓的設(shè)計，不僅關(guān)系到離心機的生產(chǎn)能力和功率等問題，而且也影響到離心機使用的安全性。但因轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，用現(xiàn)行的強度設(shè)計計算方法「1,21，對轉(zhuǎn)鼓各部位的應(yīng)力往往得不到正確的估價，從而影響了離心機轉(zhuǎn)鼓使用的安全性。使用Solidedge軟件集成的VisualNastran有限元分析軟件，對轉(zhuǎn)鼓設(shè)計進行分析研究，找出了既方便快捷，又較為實用的轉(zhuǎn)鼓設(shè)計方法。
1 基于Solidedge和Nastran軟件的有限元分析流程
利用Solidedge和VisuaiNastran的良好集成功能，可以方便地將用Solidedge所建立的三維CAD模型轉(zhuǎn)人VisualNastran軟件，從而進行有限元分析，其分析流程為:
實體建模 。導(dǎo)入有限元分析軟件~定義材料。定義載荷和約束*單元選擇和網(wǎng)格劃分一有限元分析計算*結(jié)果2 轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力的有限元分析處理和顯示
根據(jù)現(xiàn)行的轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算方法，設(shè)計SS800型三足式離心機的轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)，見圖to

2.1轉(zhuǎn)鼓的受力
在對轉(zhuǎn)鼓進行有限元應(yīng)力分析時，為簡化建模和受力分析，將開孔轉(zhuǎn)鼓簡化為一個無孔的整體轉(zhuǎn)鼓進行考慮。轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)尺寸和受力均相對于轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)軸對稱，其受力見圖20在轉(zhuǎn)鼓筒體的內(nèi)側(cè)，作用有均勻分布的載荷P，其載荷的來源包括由轉(zhuǎn)鼓自身質(zhì)量引起的離心壓力Pi、由篩網(wǎng)質(zhì)量引起的離心壓力P:和由物料質(zhì)量引起的離心壓力P3。
在與物料接觸的擋液板、轉(zhuǎn)鼓底上作用有按拋物線分布的由物料質(zhì)量的離心力引起的壓力4o
在轉(zhuǎn)鼓底軸孔與主軸配合處，按配合均勻并有微量過盈考慮，配合表面作用有均布載荷Po。
2.2 原始數(shù)據(jù)
根據(jù)轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)和材料性質(zhì)，其原始數(shù)據(jù)確定為:
A = 0 .4 64M Pa
Pz = 0 .0 68M Pa
P3 = 1 .3 58M Pa

2.3 結(jié)果比較
按圖 1的 結(jié)構(gòu)尺寸，用Solidedge建立三維CAD模型，并用VisualNastran有限元分析軟件進行應(yīng)力分析。分析結(jié)果!’〕表明:最大應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處，其應(yīng)力值為297 MPa。轉(zhuǎn)鼓筒體部分的應(yīng)力值為108一162 MPa。考慮開孔對轉(zhuǎn)鼓強度的削弱，用開孔修正系數(shù)屯=1.25[41對有限元分析的應(yīng)力值進行修正。其最大應(yīng)力修正值371 MPa，轉(zhuǎn)鼓筒體部分的應(yīng)力修正值為135202 MPa。而用邊緣效應(yīng)區(qū)應(yīng)力計算公式[51計算的轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處的應(yīng)力為487一502 MPa，用現(xiàn)行轉(zhuǎn)鼓強度計算方法計算的轉(zhuǎn)鼓筒體應(yīng)力為151 MPa,比較用有限元分析所得應(yīng)力值和用公式計算所得的應(yīng)力值可以得出如下結(jié)論:
(1)對轉(zhuǎn)鼓筒體部分，用有限元分析所得的應(yīng)力值和用公式計算所得的應(yīng)力值是比較吻合的;
(2)對邊緣效應(yīng)區(qū)，用有限元分析所得應(yīng)力值要比用公式計算所得的應(yīng)力值小，甚至小很多。這說明用邊緣效應(yīng)區(qū)公式計算所得的應(yīng)力值的近似性較大;
(3)局部 地方的應(yīng)力值是不能滿足設(shè)計要求的(設(shè)計要求的應(yīng)力值:對薄膜區(qū)為「v'1-P .=171x 0 .95 二162M Pa，對邊緣效應(yīng)區(qū)為[O'l M} PX=208x 0 .95 = 197M Pa)，尤其是在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處，應(yīng)力值達到了最大值371 MPa.對此必須采取措施，否則會給使用帶來安全隱患。
3 局部修正與優(yōu)化
3.1 用材料堆積法對轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)進行局部修正
由上述分析知，局部地方的應(yīng)力值是不能滿足設(shè)計要求的，主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處及其影響到的區(qū)域。其原因有兩個方面:① 在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處因過渡突然，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴重;② 在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處結(jié)構(gòu)剛度較差，受力變形較大，從而產(chǎn)生了較大的應(yīng)力值。針對這種情況，對轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處，以提高結(jié)構(gòu)剛度、減小受力變形、從而降低應(yīng)力的方法為出發(fā)點，用增加材料的方法[6]對原轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)進行了局部加強，見圖3。

按局部加強后的尺寸，對原轉(zhuǎn)鼓的三維實體模型進行修改后，再用有限元分析軟件重新進行應(yīng)力分析。分析結(jié)果〔33表明，最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在沒有加強箍的轉(zhuǎn)鼓筒體處，其應(yīng)力值為115 MPa。考慮開孔對轉(zhuǎn)鼓強度的削弱，用開孔修正系數(shù)(=1.25修正后的應(yīng)力值為:115x 1 .25 = 1 43.75 M Pa,小于設(shè)計要求的允許應(yīng)力范圍，滿足了設(shè)計的要求。
同樣，對用有限元分析所得的應(yīng)力值和用公式計算所得的應(yīng)力值進行分析比較后，可以得出如下結(jié)論:
(1)經(jīng)過局部加強后，由于增強了邊緣效應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)剛度，減小了邊緣效應(yīng)區(qū)的受力變形，從而降低了邊緣效應(yīng)區(qū)的應(yīng)力。但局部加強僅對局部區(qū)域影響較大，對轉(zhuǎn)鼓筒體部分的宏觀影響不大。
(2)經(jīng)局部加強后，對邊緣效應(yīng)區(qū)(轉(zhuǎn)鼓筒體和轉(zhuǎn)鼓底的連接處)，用有限元分析所得應(yīng)力值仍然是比較大的，這與理論分析的結(jié)果(轉(zhuǎn)鼓筒體和轉(zhuǎn)鼓底的連接處過渡突然，應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴重)是一致的。
3.2 用減小應(yīng)力集中法對轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)進行局部優(yōu)化
由上述分析知，在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處及其影響到的區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力過大的原因之一，是因為在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處過渡突然，導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象十分嚴重。若將轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即將尖角突然過渡改為圓角逐漸過渡，從而減小應(yīng)力集中，同樣可達到減小應(yīng)力的目的。
由圖1可以看出，轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接方式采用的是搭接焊接。在轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接處近乎于尖角過渡，故應(yīng)力集中嚴重?，F(xiàn)將擋液板的折彎處的過渡圓角加大到，將尖角過渡改為圓角逐漸過渡，同時將轉(zhuǎn)鼓筒體與擋液板的聯(lián)接方式改為對接焊接，優(yōu)化圖見圖4。這樣既可減小應(yīng)力集中，又能節(jié)省一部分材料。
按圖4的尺寸對轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)進行局部優(yōu)化后，對原轉(zhuǎn)鼓的三維實體模型進行修改后，再用有限元分析軟件重新進行應(yīng)力分析。分析結(jié)果[33表明:最大應(yīng)力值為111 MPa?？紤]開孔對轉(zhuǎn)鼓強度的削弱，用開孔修正系數(shù)C=1.25修正后的應(yīng)力值為:111x 1 .25 = 138M Pa，小于設(shè)計要求的應(yīng)力值，同樣也滿足了設(shè)計的要求。
　　　　　
再對用有限元分析所得的應(yīng)力值和用公式計算所得的應(yīng)力值進行分析比較后，得到以下結(jié)論:
(1)經(jīng)過局部優(yōu)化后，使邊緣效應(yīng)區(qū)的應(yīng)力大大減小了。但對轉(zhuǎn)鼓筒體部分的影響并不大。因為，用有限元分析所得的轉(zhuǎn)鼓筒體部分的應(yīng)力修正值(108一138 MPa)和用公式計算所得的應(yīng)力值(151 MPa)還是比較接近的。這也進一步說明了轉(zhuǎn)鼓筒體部分設(shè)計公式的計算結(jié)果是比較精確的。
(2)經(jīng)局部優(yōu)化后，對邊緣效應(yīng)區(qū)(轉(zhuǎn)鼓筒體和擋液板的連接處)，用有限元分析所得應(yīng)力值仍然是比較大的，這與理論分析的結(jié)果(轉(zhuǎn)鼓筒體和擋液板的連接處過渡突然，應(yīng)力集中現(xiàn)象相當(dāng)嚴重)是一致的。
4 結(jié)論
通過對轉(zhuǎn)鼓設(shè)計進行的分析研究，得出結(jié)論如下:
(1) 工程實際中，對離心機轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算時，僅對薄膜區(qū)進行強度計算是不夠的，對于邊緣效應(yīng)區(qū)的強度核算也是非常必要的，因為邊緣效應(yīng)區(qū)的應(yīng)力有時會遠遠超過允許應(yīng)力范圍。按現(xiàn)行的轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算方法設(shè)計出的轉(zhuǎn)鼓，從宏觀上看，往往偏于保守(如轉(zhuǎn)鼓底)，相關(guān)尺寸有較大富裕，使得轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量無謂地增加，既增加了轉(zhuǎn)鼓運行的能耗也造成了材料的浪費，存在著不經(jīng)濟性;從微觀上看，局部地方(如邊緣效應(yīng)區(qū))的應(yīng)力值，往往得不到正確估價，而直接影響到轉(zhuǎn)鼓運行的安全性。
(2)對于邊緣效應(yīng)區(qū)，在進行應(yīng)力計算時采用經(jīng)過結(jié)構(gòu)簡化所推導(dǎo)出的公式計算出的數(shù)值不僅近似性較大，而且計算出的數(shù)值也明顯偏大，其實用性和可信度較差。而采用有限元分析技術(shù)能較好地計算出邊緣效應(yīng)區(qū)的應(yīng)力，且計算數(shù)值也較為接近實際，工程實際中應(yīng)該很好地去實施。
(3)采用局部加強和局部優(yōu)化的方法，對減小局部區(qū)域的應(yīng)力值的效果是非常明顯的，是解決危險區(qū)域強度不足的較好方法。
(4)先用現(xiàn)行的轉(zhuǎn)鼓設(shè)計計算方法進行轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計，再用有限元技術(shù)對轉(zhuǎn)鼓進行應(yīng)力分析，并對局部尺寸進行修正和優(yōu)化，應(yīng)是目前轉(zhuǎn)鼓設(shè)計的較好方法之一。尤其是利用集成有有限元分析軟件的CAD/CAM軟件對轉(zhuǎn)鼓進行有限元分析，可方便地實現(xiàn)對轉(zhuǎn)鼓尺寸的修正和優(yōu)化。