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        傳動(dòng)接管的有限元分析

        2014-03-20 06:35:27王國民陶瑛張海平
        河南建材 2014年2期
        關(guān)鍵詞:磨機(jī)分布圖傳動(dòng)

        王國民 陶瑛 張海平

        中材建設(shè)有限公司(100176)

        傳動(dòng)接管的有限元分析

        王國民 陶瑛 張海平

        中材建設(shè)有限公司(100176)

        在管磨機(jī)運(yùn)行中,傳動(dòng)接管承受彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等多種載荷,為了使其在使用中長期安全可靠,有必要對(duì)傳動(dòng)接管進(jìn)行有限元分析。通過有限元軟件ANSYS對(duì)傳動(dòng)接管采用不同單元進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析,為傳動(dòng)接管的設(shè)計(jì)及長期安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)提供了一定的理論依據(jù)。

        ANSYS;管磨機(jī);傳動(dòng)接管;有限元

        0 前言

        在建材工業(yè)中,管磨機(jī)的傳動(dòng)接管是連接膜片聯(lián)軸器、磨機(jī)中空軸或出料端滑履軸承腹板,起著傳遞動(dòng)力的作用,是一個(gè)重要零件,若損壞將引起事故和停產(chǎn);在使用中要求長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)而不進(jìn)行更換,同時(shí)還有一定的磨損,所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)作為不更換零件來考慮[1]。在磨機(jī)運(yùn)行中,傳動(dòng)接管承受彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等多種載荷,為了使其在使用中長期安全可靠,有必要對(duì)傳動(dòng)接管進(jìn)行有限元分析。這里通過有限元軟件ANSYS對(duì)傳動(dòng)接管采用不同單元進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析,比較了其結(jié)果,為傳動(dòng)接管的設(shè)計(jì)及長期安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)提供了一定的理論依據(jù)。

        1 模型及計(jì)算結(jié)果

        在構(gòu)建薄壁結(jié)構(gòu)的有限元模型時(shí)通常選用殼單元。ANSYS提供的SHELL43、SHELL63、SHELL93以及SHELL143和SHELL181單元都能很方便地用于薄壁結(jié)構(gòu)的建模,并能得到精確的結(jié)果,同時(shí)避免了采用實(shí)體單元構(gòu)建此類結(jié)構(gòu)所帶來的復(fù)雜性和規(guī)模龐大。像SOLID45和SOLID95之類的實(shí)體單元,其厚度由節(jié)點(diǎn)的位置所決定,而殼單元的厚度是由實(shí)常數(shù)決定的。由于殼單元的厚度獨(dú)立于幾何模型,因此可以很方便地進(jìn)行參數(shù)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外,建立一個(gè)用于生成殼單元的面幾何模型要比建一個(gè)三維實(shí)體幾何模型簡單得多[2]。

        盡管使用殼單元有許多優(yōu)點(diǎn),但也有一些缺點(diǎn)在使用時(shí)需要加以注意:首先,殼單元只適合某幾種結(jié)構(gòu)類型,因?yàn)樗僭O(shè)彎曲應(yīng)力沿殼單元厚度方向線性變化;其次,為了得到理想的結(jié)果,殼單元必須建在實(shí)體結(jié)構(gòu)的中心層或中面上。

        傳動(dòng)接管是由鋼板組成的,其厚度與板面長寬中的最小尺寸的比值一般小于1/5~1/8與大于1/ 80~1/100之間的范圍內(nèi),是有限元中的薄板問題。傳動(dòng)接管受外載荷較復(fù)雜,變形也很復(fù)雜,往往不能單純地只考慮一種變形狀態(tài)。在實(shí)際計(jì)算分析中,通常將板壁結(jié)構(gòu)視為薄板彎曲問題或薄板彎曲狀態(tài)與平面應(yīng)力狀態(tài)組合問題。板壁上化為平面應(yīng)力狀態(tài)和彎曲狀態(tài)的組合,這樣比只考慮一種變形狀態(tài)更符合實(shí)際情況,這就是有限元方法中薄板的平面應(yīng)力狀態(tài)和彎曲狀態(tài)的組合。

        ANSYS為結(jié)構(gòu)分析提供了百余種單元模型,在進(jìn)行板結(jié)構(gòu)的靜結(jié)構(gòu)分析時(shí),究竟應(yīng)用哪一種單元模型更為合理呢?下面將通過對(duì)傳動(dòng)接管結(jié)構(gòu)計(jì)算實(shí)例進(jìn)行單元試驗(yàn),以論證結(jié)構(gòu)單元的選用。

        根據(jù)傳動(dòng)接管的結(jié)構(gòu),分別采用了殼單元SHELL63和實(shí)體單元SOLID45。圖1和圖2分別是采用殼單元SHELL63和實(shí)體單元SOLID45所建立的模型。

        圖1 傳動(dòng)接管的殼單元模型

        圖2 傳動(dòng)接管的實(shí)體單元模型

        約束加載求解后,使用殼單元SHELL63和實(shí)體單元SOLID45所求得對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力分布圖如圖3和圖4所示。

        圖3 傳動(dòng)接管的殼單元等效應(yīng)力分布圖

        圖4 傳動(dòng)接管的實(shí)體單元等效應(yīng)力分布圖

        從圖4和圖5中可知:采用殼單元和實(shí)體單元所得到的等效應(yīng)力分布圖是一致的,最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置也是一致的,都在方孔的圓角處。

        2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        計(jì)算結(jié)果見表1。

        表1 計(jì)算結(jié)果表

        通常,使用實(shí)體單元能更精確地模擬出模型細(xì)小地方的變形,但卻帶來了建模的復(fù)雜性且模型龐大,比較費(fèi)時(shí)。使用殼單元避免了這些問題,而且也能得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。

        從表1的數(shù)據(jù)可知:采用殼單元和實(shí)體單元計(jì)算所得的最大變形量相差不大,兩者偏差2%左右,所得的最大等效應(yīng)力值,兩者偏差為5%左右。再從兩者的等效應(yīng)力分布圖看出,使用殼單元和實(shí)體單元所得的等效應(yīng)力分布是一致的,不管是使用殼單元還是實(shí)體單元計(jì)算,都符合工程上的要求。

        實(shí)際工程中,傳動(dòng)接管的最大應(yīng)力值不得超過60 MPa,從采用殼單元和實(shí)體單元所得出的計(jì)算結(jié)果可知,此傳動(dòng)接管的設(shè)計(jì)滿足工程上的技術(shù)要求。

        3 結(jié)語

        這里通過采用殼單元和實(shí)體單元,建立了傳動(dòng)接管的有限元模型,求解出了相應(yīng)的結(jié)果,并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,得知不管是采用殼單元還是采用實(shí)體單元,結(jié)果都滿足工程上的技術(shù)要求,說明采用的兩種單元都可以達(dá)到工程上精度的要求,為傳動(dòng)接管的設(shè)計(jì)及長期安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)提供了一定的理論依據(jù)。

        [1]朱昆泉,許林發(fā).建材機(jī)械工程手冊(cè)[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,2000.

        [2]尚曉江,邱峰,等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

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