基于有限元应力分析的转鼓设计的研究

2018-07-12 17:35:05 点击量：

转鼓是离心机的关键部件。转鼓的设计，不仅关系到离心机的生产能力和功率等问题，而且也影响到离心机使用的安全性。但因转鼓结构较为复杂，用现行的强度设计计算方法「1,21，对转鼓各部位的应力往往得不到正确的估价，从而影响了离心机转鼓使用的安全性。使用Solidedge软件集成的VisualNastran有限元分析软件，对转鼓设计进行分析研究，找出了既方便快捷，又较为实用的转鼓设计方法。
1 基于Solidedge和Nastran软件的有限元分析流程
利用Solidedge和VisuaiNastran的良好集成功能，可以方便地将用Solidedge所建立的三维CAD模型转人VisualNastran软件，从而进行有限元分析，其分析流程为:
实体建模 。导入有限元分析软件~定义材料。定义载荷和约束*单元选择和网格划分一有限元分析计算*结果2 转鼓应力的有限元分析处理和显示
根据现行的转鼓设计计算方法，设计SS800型三足式离心机的转鼓结构，见图to

2.1转鼓的受力
在对转鼓进行有限元应力分析时，为简化建模和受力分析，将开孔转鼓简化为一个无孔的整体转鼓进行考虑。转鼓的结构尺寸和受力均相对于转鼓转轴对称，其受力见图20在转鼓筒体的内侧，作用有均匀分布的载荷P，其载荷的来源包括由转鼓自身质量引起的离心压力Pi、由筛网质量引起的离心压力P:和由物料质量引起的离心压力P3。
在与物料接触的挡液板、转鼓底上作用有按抛物线分布的由物料质量的离心力引起的压力4o
在转鼓底轴孔与主轴配合处，按配合均匀并有微量过盈考虑，配合表面作用有均布载荷Po。
2.2 原始数据
根据转鼓的结构参数、工作参数和材料性质，其原始数据确定为:
A = 0 .4 64M Pa
Pz = 0 .0 68M Pa
P3 = 1 .3 58M Pa

2.3 结果比较
按图 1的 结构尺寸，用Solidedge建立三维CAD模型，并用VisualNastran有限元分析软件进行应力分析。分析结果!’〕表明:最大应力出现在转鼓筒体与挡液板的联接处，其应力值为297 MPa。转鼓筒体部分的应力值为108一162 MPa。考虑开孔对转鼓强度的削弱，用开孔修正系数屯=1.25[41对有限元分析的应力值进行修正。其最大应力修正值371 MPa，转鼓筒体部分的应力修正值为135202 MPa。而用边缘效应区应力计算公式[51计算的转鼓筒体与挡液板的联接处的应力为487一502 MPa，用现行转鼓强度计算方法计算的转鼓筒体应力为151 MPa,比较用有限元分析所得应力值和用公式计算所得的应力值可以得出如下结论:
(1)对转鼓筒体部分，用有限元分析所得的应力值和用公式计算所得的应力值是比较吻合的;
(2)对边缘效应区，用有限元分析所得应力值要比用公式计算所得的应力值小，甚至小很多。这说明用边缘效应区公式计算所得的应力值的近似性较大;
(3)局部 地方的应力值是不能满足设计要求的(设计要求的应力值:对薄膜区为「v'1-P .=171x 0 .95 二162M Pa，对边缘效应区为[O'l M} PX=208x 0 .95 = 197M Pa)，尤其是在转鼓筒体与挡液板的联接处，应力值达到了最大值371 MPa.对此必须采取措施，否则会给使用带来安全隐患。
3 局部修正与优化
3.1 用材料堆积法对转鼓结构进行局部修正
由上述分析知，局部地方的应力值是不能满足设计要求的，主要表现在转鼓筒体与挡液板的联接处及其影响到的区域。其原因有两个方面:① 在转鼓筒体与挡液板的联接处因过渡突然，应力集中现象严重;② 在转鼓筒体与挡液板的联接处结构刚度较差，受力变形较大，从而产生了较大的应力值。针对这种情况，对转鼓筒体与挡液板的联接处，以提高结构刚度、减小受力变形、从而降低应力的方法为出发点，用增加材料的方法[6]对原转鼓结构进行了局部加强，见图3。

按局部加强后的尺寸，对原转鼓的三维实体模型进行修改后，再用有限元分析软件重新进行应力分析。分析结果〔33表明，最大应力主要出现在没有加强箍的转鼓筒体处，其应力值为115 MPa。考虑开孔对转鼓强度的削弱，用开孔修正系数(=1.25修正后的应力值为:115x 1 .25 = 1 43.75 M Pa,小于设计要求的允许应力范围，满足了设计的要求。
同样，对用有限元分析所得的应力值和用公式计算所得的应力值进行分析比较后，可以得出如下结论:
(1)经过局部加强后，由于增强了边缘效应区的结构刚度，减小了边缘效应区的受力变形，从而降低了边缘效应区的应力。但局部加强仅对局部区域影响较大，对转鼓筒体部分的宏观影响不大。
(2)经局部加强后，对边缘效应区(转鼓筒体和转鼓底的连接处)，用有限元分析所得应力值仍然是比较大的，这与理论分析的结果(转鼓筒体和转鼓底的连接处过渡突然，应力集中现象相当严重)是一致的。
3.2 用减小应力集中法对转鼓结构进行局部优化
由上述分析知，在转鼓筒体与挡液板的联接处及其影响到的区域出现应力过大的原因之一，是因为在转鼓筒体与挡液板的联接处过渡突然，导致应力集中现象十分严重。若将转鼓筒体与挡液板的联接处进行结构优化，即将尖角突然过渡改为圆角逐渐过渡，从而减小应力集中，同样可达到减小应力的目的。
由图1可以看出，转鼓筒体与挡液板的联接方式采用的是搭接焊接。在转鼓筒体与挡液板的联接处近乎于尖角过渡，故应力集中严重。现将挡液板的折弯处的过渡圆角加大到，将尖角过渡改为圆角逐渐过渡，同时将转鼓筒体与挡液板的联接方式改为对接焊接，优化图见图4。这样既可减小应力集中，又能节省一部分材料。
按图4的尺寸对转鼓结构进行局部优化后，对原转鼓的三维实体模型进行修改后，再用有限元分析软件重新进行应力分析。分析结果[33表明:最大应力值为111 MPa。考虑开孔对转鼓强度的削弱，用开孔修正系数C=1.25修正后的应力值为:111x 1 .25 = 138M Pa，小于设计要求的应力值，同样也满足了设计的要求。
　　　　　
再对用有限元分析所得的应力值和用公式计算所得的应力值进行分析比较后，得到以下结论:
(1)经过局部优化后，使边缘效应区的应力大大减小了。但对转鼓筒体部分的影响并不大。因为，用有限元分析所得的转鼓筒体部分的应力修正值(108一138 MPa)和用公式计算所得的应力值(151 MPa)还是比较接近的。这也进一步说明了转鼓筒体部分设计公式的计算结果是比较精确的。
(2)经局部优化后，对边缘效应区(转鼓筒体和挡液板的连接处)，用有限元分析所得应力值仍然是比较大的，这与理论分析的结果(转鼓筒体和挡液板的连接处过渡突然，应力集中现象相当严重)是一致的。
4 结论
通过对转鼓设计进行的分析研究，得出结论如下:
(1) 工程实际中，对离心机转鼓设计计算时，仅对薄膜区进行强度计算是不够的，对于边缘效应区的强度核算也是非常必要的，因为边缘效应区的应力有时会远远超过允许应力范围。按现行的转鼓设计计算方法设计出的转鼓，从宏观上看，往往偏于保守(如转鼓底)，相关尺寸有较大富裕，使得转鼓质量无谓地增加，既增加了转鼓运行的能耗也造成了材料的浪费，存在着不经济性;从微观上看，局部地方(如边缘效应区)的应力值，往往得不到正确估价，而直接影响到转鼓运行的安全性。
(2)对于边缘效应区，在进行应力计算时采用经过结构简化所推导出的公式计算出的数值不仅近似性较大，而且计算出的数值也明显偏大，其实用性和可信度较差。而采用有限元分析技术能较好地计算出边缘效应区的应力，且计算数值也较为接近实际，工程实际中应该很好地去实施。
(3)采用局部加强和局部优化的方法，对减小局部区域的应力值的效果是非常明显的，是解决危险区域强度不足的较好方法。
(4)先用现行的转鼓设计计算方法进行转鼓结构的初步设计，再用有限元技术对转鼓进行应力分析，并对局部尺寸进行修正和优化，应是目前转鼓设计的较好方法之一。尤其是利用集成有有限元分析软件的CAD/CAM软件对转鼓进行有限元分析，可方便地实现对转鼓尺寸的修正和优化。