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        基于Ansys的球磨機(jī)干燥設(shè)備有限元熱力耦合分析

        2013-10-15 01:20:42王海洋姚芳萍
        制造業(yè)自動(dòng)化 2013年15期
        關(guān)鍵詞:有限元變形結(jié)構(gòu)

        王海洋,姚芳萍

        (遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,錦州 121001)

        0 引言

        球磨機(jī)是物料被破碎之后再進(jìn)行粉碎的關(guān)鍵設(shè)備。它被廣泛應(yīng)用于水泥、硅酸鹽制品、新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑與有色金屬選礦以及玻璃陶瓷等生產(chǎn)行業(yè),對各種礦石和其他可磨性物料進(jìn)行干式或濕式粉磨。長遠(yuǎn)來看,球磨機(jī)仍將是該行業(yè)的主要設(shè)備,其相關(guān)研究已經(jīng)受到了高度重視,并取得了豐碩成果。而物料經(jīng)球磨機(jī)粉磨后必須進(jìn)行干燥,因此,對球磨機(jī)后續(xù)干燥設(shè)備的研究也非常必要。

        如果需要對選礦設(shè)備進(jìn)行技術(shù)革新,升級設(shè)備自動(dòng)化水平,有時(shí)需對其中的球磨機(jī)后續(xù)干燥設(shè)備進(jìn)行改造,以圖1中所示梁為例,為了保證設(shè)備安全可靠,對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元熱力耦合分析。

        1 軟件介紹

        Ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析與一體的大型通用有限元分析軟件。它能與大多數(shù)CAD軟件接口,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換,如Pro/Engineer、Nastran、A logor、I—DEAS、AutoCAD等,是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級CAE工具之一。所以選擇Ansys軟件作為對干燥設(shè)備中梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元熱力耦合分析的工具。

        2 方案分析

        如圖1所示:干燥設(shè)備中被窯頭罩子包圍的梁受到1500度高溫氣體影響,在罩子兩側(cè)的梁被托輥支撐,在罩子之外的梁與室溫空氣直接接觸,梁的內(nèi)部流動(dòng)冷卻水(假設(shè)流入水溫為22度,流出水溫為80度),梁的中部受到重物施壓。在此情況下通過有限元分析觀察梁的變形,從而確定其合理的尺寸和結(jié)構(gòu)。

        對梁進(jìn)行有限元分析時(shí)需作如下假設(shè):

        1) 單根梁的承重與梁成線接觸;

        2) 梁上介于高溫氣體和室溫空氣之間的部分所受的氣體溫度為500度,對流換熱系數(shù)為25W/m2●℃;

        3) 在熱分析過程中,溫度載荷是以熱對流形式設(shè)置。

        圖1 梁及其裝置結(jié)構(gòu)圖

        3 有限元分析

        在Ansys中,首先對梁進(jìn)行有限元建模并劃分單元格。在有限元分析中獲得四面體單元3440個(gè),22281個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖2所示。然后設(shè)置溫度載荷,在熱分析過程中,溫度載荷是以熱對流形式設(shè)置(如圖3所示),具體如下:

        4)D面—即與冷卻水接觸的管道內(nèi)壁,設(shè)置為環(huán)境初始溫度22,最終溫度為80,熱對流系數(shù)為1200W/m2●。

        受力和約束情況如圖4所示,具體如下:

        A—管道自身重力;

        B—在B處施加約束,限制該位置的管道向下移動(dòng),但不限制其他兩方向移動(dòng);

        C—受到重物施加的壓力。

        圖2 有限元網(wǎng)格模型

        圖3 溫度載荷設(shè)置情況

        圖4 約束和載荷設(shè)置情況

        圖5 靜力學(xué)分析(壓力為10噸)——應(yīng)力分析

        圖6 靜力學(xué)分析(壓力為10噸)——應(yīng)變分析

        圖7 靜力學(xué)分析(壓力為 10噸)——位移和變形

        圖8 熱結(jié)構(gòu)分析——溫度分布

        圖9 熱結(jié)構(gòu)分析(壓力為10噸)——應(yīng)力

        表1 碳素鋼和低合金鋼鋼板許用應(yīng)力

        表2 梁中部受熱受力變形情況

        圖10 熱結(jié)構(gòu)分析(壓力為10噸)——應(yīng)變

        圖11 熱結(jié)構(gòu)分析(壓力為 10噸)——位移變形

        分別對梁在受10噸、30噸和50噸壓力時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和變形進(jìn)行了分析,并在熱力耦合狀態(tài)下分析了梁的應(yīng)變、位移和變形。圖5~7所示為當(dāng)梁所受壓力為10噸時(shí),其應(yīng)力、應(yīng)變、位移和變形的云圖;圖8所示為對梁進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)分析時(shí)其溫度分布的情況;圖9~11所示為梁壓力為10噸時(shí),在熱力耦合狀態(tài)下其應(yīng)力、應(yīng)變、位移和變形的云圖(壓力為30噸和50噸時(shí)的分析結(jié)果略)。表2所示為梁在純粹壓力和熱力耦合狀態(tài)下基于Ansys軟件對其進(jìn)行分析得出的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和變形的最大值及許用值。

        梁的材料為20號鍋爐鋼,轉(zhuǎn)成現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)是Q245R,所以根據(jù)表1中 Q245R的許用應(yīng)力表比較表2中的等效應(yīng)力可知,隨著溫度的增大,最大等效應(yīng)力增大,而Q245R的許用應(yīng)力降低。只有當(dāng)靜力作用等于10噸時(shí),梁的最大等效應(yīng)力是小于許用應(yīng)力的,符合實(shí)際使用要求。

        要使梁在大于10噸壓力的狀態(tài)下工作,則必須對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善,從而增加其強(qiáng)度,符合使用要求。

        4 結(jié)論

        隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛快發(fā)展,機(jī)械裝備有限元熱力耦合得到了前所未有的提高和應(yīng)用。本文基于ANSYS軟件對球磨機(jī)干燥設(shè)備設(shè)計(jì)中改進(jìn)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)演算,通過施加與實(shí)際工況相近的邊界條件,獲得了較精確的數(shù)據(jù),為該關(guān)鍵梁結(jié)構(gòu)的開發(fā)研制奠定了基礎(chǔ)。

        [1] 曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2004.

        [2] 孫宗猛,周家勇,劉訓(xùn)志.某鍋爐管屏的人力耦合有限元分析[J].技術(shù)與市場,2010,11.

        [3] 曹淑敏,陳其偉,朱國輝,完衛(wèi)國.20MnSi鋼筋熱連軋溫度場的熱力耦合分析[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,04期.

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