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.