基于有限元的離心機(jī)應(yīng)力分析及評(píng)價(jià)

夏云周

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖241000）

基于有限元的離心機(jī)應(yīng)力分析及評(píng)價(jià)

夏云周

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖241000）

有限元法作為一種分離機(jī)應(yīng)力分析的數(shù)值分析方法，相比較傳統(tǒng)的應(yīng)力分析方法有著明顯的優(yōu)越性.本文對(duì)有限元法在分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力分析上的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)運(yùn)用，對(duì)用有限元法分析轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題進(jìn)行了討論分析，并結(jié)合線性判定準(zhǔn)則對(duì)其應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行判定，并對(duì)其在分離機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了展望.

CATIA；有限元；離心機(jī)；分析；評(píng)價(jià)

分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓組件包括底盤、轉(zhuǎn)鼓、轉(zhuǎn)鼓蓋、大鎖緊環(huán).底盤通過螺栓固定于轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，轉(zhuǎn)鼓通過方螺紋齒和凹凸槽與底盤連接定位；轉(zhuǎn)鼓蓋用大鎖緊環(huán)通過方螺紋齒固定于轉(zhuǎn)鼓上端[1].

轉(zhuǎn)鼓組件由2Cr13鑄造加工而成，材料彈性模量為209GMPa，屈服極限下限值為490MPa,抗拉極限為665MPa，材料密度取為7900kg/m3.轉(zhuǎn)鼓組件工作腔包括污水區(qū)、沉渣區(qū)、密封水區(qū)，它們與轉(zhuǎn)鼓組件的受力情況密切相關(guān)，各個(gè)區(qū)域的具體范圍如圖1所示.組件工作轉(zhuǎn)數(shù)為5937轉(zhuǎn)/分鐘[2].

圖1 分離機(jī)液位示意圖及三維裝配模型

1 離心機(jī)的有限元分析

1.1 總體建模

分離機(jī)主要零部件有轉(zhuǎn)鼓體、轉(zhuǎn)鼓蓋、活塞、鎖環(huán).它們的裝配關(guān)系如圖1所示.

為了簡化模型，忽略矩形螺紋螺旋角和切向排渣槽的影響，轉(zhuǎn)鼓組件具有周期對(duì)稱性，因此取模型的1/24，進(jìn)行分析，考慮到活塞是套在轉(zhuǎn)鼓體上，將轉(zhuǎn)鼓體、轉(zhuǎn)鼓蓋、鎖環(huán)作為一個(gè)裝配件進(jìn)行分析，如圖2所示；取出活塞單獨(dú)進(jìn)行分析，如圖2所示.

圖2 組件及活塞

1.2 載荷分析

取轉(zhuǎn)鼓體軸向?yàn)閅軸，那么與物料接觸表面承受的介質(zhì)離心壓力計(jì)算公式為：

ρ為介質(zhì)密度，污水密度取1000kg/m2，沉渣密度取1950kg/m3密封水密度取100kg/m3；ω為組件轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，取ω=5937*2π/60=621.4s-1；x,z為接觸表面任意一點(diǎn)的坐標(biāo)；在有限元分析中采用函數(shù)加載方式直接將介質(zhì)離心力載荷施加到介質(zhì)接觸表面上；r0為自由液面半徑[3]；

污水區(qū)承受壓力計(jì)算公式：

污水區(qū)承受的最大壓力為：

沉渣區(qū)承受壓力計(jì)算公式：

密封水區(qū)承受壓力：

自身承受離心力的計(jì)算：

極端情況下，轉(zhuǎn)鼓組件和活塞加載如圖3所示.

圖3 組件和活塞的邊界條件以及載荷加載

1.3 邊界條件

轉(zhuǎn)鼓體固定于傳動(dòng)軸圓錐面上約束Y向（軸向）位移，組件的00和150切割面上約束切向位移（對(duì)稱約束），并定義旋轉(zhuǎn)周期對(duì)稱接觸.

1.4 劃分網(wǎng)格

分析采用ABAQUS 6.9.單元?jiǎng)澐植捎米杂筛袷剑x用四面體單元，在矩形螺紋、切向排渣槽和各接觸對(duì)表面等位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化.如圖4所示.

圖4 有限元模型的網(wǎng)格劃分

2 分析結(jié)果

分離工況極端情況下轉(zhuǎn)鼓、轉(zhuǎn)鼓蓋和鎖環(huán)組件的應(yīng)力強(qiáng)度分布如圖5所示（圖中色標(biāo)單位為MPa，后面不再說明），最大應(yīng)力發(fā)生在轉(zhuǎn)鼓體直徑110mm轉(zhuǎn)角處，即云圖中紅色區(qū)域，其中最大應(yīng)力為291.2MPa,低于材料的屈服極限，不會(huì)發(fā)生塑性變形.圖6顯示了排渣孔附近應(yīng)力分布情況.

圖5 不轉(zhuǎn)鼓、轉(zhuǎn)鼓蓋和鎖環(huán)組件

圖6 轉(zhuǎn)鼓排渣孔附近應(yīng)力強(qiáng)度

分離工況極端情況下活塞的云圖如圖7所示，由于ABAQUS軟件強(qiáng)大的后處理能力，在定義了旋轉(zhuǎn)周期對(duì)稱接觸的情況下，雖然分析了零件的1/24，我們?nèi)匀豢梢杂^察到整個(gè)零件的云圖.

圖7 活塞云圖

3 強(qiáng)度評(píng)定

3.1 強(qiáng)度條件

轉(zhuǎn)鼓件用2Cr13制成，材料的許用應(yīng)力[σ]為：

[σ]=Min{0.5σs,0.33σb}

根據(jù)等效線性化處理規(guī)則，將上述有限元應(yīng)力分析結(jié)果分解為薄膜應(yīng)力（總體Pm和局部PL）、彎曲應(yīng)力（包括一次Pb、二次Q和峰值應(yīng)力F）等應(yīng)力類別[4].各類應(yīng)力或它們的組合在設(shè)備破壞過程中所起的作用不同，破壞機(jī)制也有區(qū)別.為了保證安全運(yùn)行，它們必須滿足不同的強(qiáng)度條件，見表1.

表1 應(yīng)力分類強(qiáng)度條件及限制極限

3.2 評(píng)定線與安全系數(shù)的定義

采用線法進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定.安全系數(shù)作為應(yīng)力安全評(píng)定的重要參數(shù)，關(guān)系到整體安全結(jié)果的判定，由于受到應(yīng)力強(qiáng)度種類、材料屬性和工況不同等因素的制約，安全系數(shù)的選定也是不盡相同的，故此對(duì)于同一條評(píng)定線，安全系數(shù)的選取亦各有不同.取每個(gè)構(gòu)件各種安全系數(shù)的最小值為該構(gòu)件的安全系數(shù).

根據(jù)分析結(jié)果，組件共取8條評(píng)定線，如圖8所示，評(píng)定線1、2、3分別位于轉(zhuǎn)鼓體齒根部，評(píng)定線4位于排渣孔附近，5位于轉(zhuǎn)鼓壁，6位于轉(zhuǎn)鼓受力最大的部位，評(píng)定線7、8位于轉(zhuǎn)鼓蓋[4].根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及強(qiáng)度理論，由于活塞的屈服極限值遠(yuǎn)大于有限元應(yīng)力分析的峰值，故此可忽略表1中設(shè)定的原則，其強(qiáng)度滿足工程要求[5-6].

圖8 評(píng)定線布置

表2給出了分離工況極端條件下組件的評(píng)定結(jié)果.根據(jù)分析結(jié)果，活塞共取8條評(píng)定線，評(píng)定線布置情況如圖8所示.

表3給出了分離工況極端條件下活塞的評(píng)定結(jié)果.總體而言，按照應(yīng)力分類原則，對(duì)轉(zhuǎn)鼓組件安全系數(shù)起制約作用的是轉(zhuǎn)鼓壁，安全系數(shù)為1.98，其強(qiáng)度足夠，認(rèn)為轉(zhuǎn)鼓組件達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).

表2 分離工況極端條件下組件的評(píng)定結(jié)果（應(yīng)力單位：MPa）

表3 分離工況極端條件下活塞的評(píng)定結(jié)果（應(yīng)力單位：MPa）

4 結(jié)束語

離心機(jī)作為高速旋轉(zhuǎn)的特種機(jī)械，轉(zhuǎn)鼓組的強(qiáng)度分析是離心機(jī)設(shè)計(jì)過程中主要的參考數(shù)據(jù)，本文首先通過三維CAD建立數(shù)學(xué)模型并做了相應(yīng)的模型簡化和等效處理后，運(yùn)用CAE對(duì)模型接進(jìn)行了網(wǎng)格劃分、工況約束及載荷施加，最后對(duì)有限元的應(yīng)力分析結(jié)果，選用線性評(píng)定方法對(duì)轉(zhuǎn)鼓組的組件及活塞進(jìn)行評(píng)判，得出最終的應(yīng)力安全性的評(píng)價(jià)，工程實(shí)踐表明這種結(jié)合有限元分析和線性評(píng)定指標(biāo)的綜合應(yīng)力強(qiáng)度的評(píng)價(jià)手段是有效的離心機(jī)強(qiáng)度安全性的研究運(yùn)用手段及方向.

〔1〕JB/T 8051-96.離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度計(jì)算規(guī)范[S]. 1997-07-01.

〔2〕JB/T 19815-2005.離心機(jī)安全要求[S].2005-12-01.

〔3〕孫啟才,金鼎五.離心機(jī)原理結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出社,1978.1842190.

〔4〕卓高柱,孔凡敬,郭華波,韓兆強(qiáng).壓力容器有限元分析及等效線性化處理[J].發(fā)電設(shè)備，2008（5）：21-25.

〔5〕高志惠,黃維菊,張俊青,陳文梅.有限元法在臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度分析上的應(yīng)用[J].過濾與分離，2009（4）：34-38.

〔6〕何俊,王猛.鳥撞飛機(jī)前風(fēng)擋動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012(2):28-34.

TH122

A

1673-260X（2013）07-0119-04

安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2013Z029）