傳動接管的有限元分析

王國民 陶瑛 張海平

中材建設(shè)有限公司（100176）

傳動接管的有限元分析

王國民 陶瑛 張海平

中材建設(shè)有限公司（100176）

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

ANSYS；管磨機；傳動接管；有限元

0 前言

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

1 模型及計算結(jié)果

在構(gòu)建薄壁結(jié)構(gòu)的有限元模型時通常選用殼單元。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，同時避免了采用實體單元構(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之類的實體單元,其厚度由節(jié)點的位置所決定,而殼單元的厚度是由實常數(shù)決定的。由于殼單元的厚度獨立于幾何模型，因此可以很方便地進行參數(shù)化和優(yōu)化設(shè)計。此外，建立一個用于生成殼單元的面幾何模型要比建一個三維實體幾何模型簡單得多[2]。

盡管使用殼單元有許多優(yōu)點，但也有一些缺點在使用時需要加以注意：首先，殼單元只適合某幾種結(jié)構(gòu)類型，因為它假設(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，殼單元必須建在實體結(jié)構(gòu)的中心層或中面上。

傳動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)。在實際計算分析中，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，在進行板結(jié)構(gòu)的靜結(jié)構(gòu)分析時，究竟應(yīng)用哪一種單元模型更為合理呢?下面將通過對傳動接管結(jié)構(gòu)計算實例進行單元試驗，以論證結(jié)構(gòu)單元的選用。

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

圖1 傳動接管的殼單元模型

圖2 傳動接管的實體單元模型

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

圖3 傳動接管的殼單元等效應(yīng)力分布圖

圖4 傳動接管的實體單元等效應(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 計算結(jié)果對比

計算結(jié)果見表1。

表1 計算結(jié)果表

通常，使用實體單元能更精確地模擬出模型細小地方的變形，但卻帶來了建模的復(fù)雜性且模型龐大，比較費時。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：采用殼單元和實體單元計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體單元計算，都符合工程上的要求。

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

3 結(jié)語

這里通過采用殼單元和實體單元，建立了傳動接管的有限元模型，求解出了相應(yīng)的結(jié)果，并對其結(jié)果進行了對比分析，得知不管是采用殼單元還是采用實體單元,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到工程上精度的要求，為傳動接管的設(shè)計及長期安全可靠運轉(zhuǎn)提供了一定的理論依據(jù)。

[1]朱昆泉,許林發(fā).建材機械工程手冊[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)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社,2006.