基于有限元應力分析的轉鼓設計的研究

2018-07-12 17:35:05 點擊量：

轉鼓是離心機的關鍵部件。轉鼓的設計，不僅關系到離心機的生產能力和功率等問題，而且也影響到離心機使用的安全性。但因轉鼓結構較為復雜，用現行的強度設計計算方法「1,21，對轉鼓各部位的應力往往得不到正確的估價，從而影響了離心機轉鼓使用的安全性。使用Solidedge軟件集成的VisualNastran有限元分析軟件，對轉鼓設計進行分析研究，找出了既方便快捷，又較為實用的轉鼓設計方法。
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模型轉人VisualNastran軟件，從而進行有限元分析，其分析流程為:
實體建模 。導入有限元分析軟件~定義材料。定義載荷和約束*單元選擇和網格劃分一有限元分析計算*結果2 轉鼓應力的有限元分析處理和顯示
根據現行的轉鼓設計計算方法，設計SS800型三足式離心機的轉鼓結構，見圖to

2.1轉鼓的受力
在對轉鼓進行有限元應力分析時，為簡化建模和受力分析，將開孔轉鼓簡化為一個無孔的整體轉鼓進行考慮。轉鼓的結構尺寸和受力均相對于轉鼓轉軸對稱，其受力見圖20在轉鼓筒體的內側，作用有均勻分布的載荷P，其載荷的來源包括由轉鼓自身質量引起的離心壓力Pi、由篩網質量引起的離心壓力P:和由物料質量引起的離心壓力P3。
在與物料接觸的擋液板、轉鼓底上作用有按拋物線分布的由物料質量的離心力引起的壓力4o
在轉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 原始數據
根據轉鼓的結構參數、工作參數和材料性質，其原始數據確定為:
A = 0 .4 64M Pa
Pz = 0 .0 68M Pa
P3 = 1 .3 58M Pa

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

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