管磨機(jī)筒體有限元分析載荷施加方法的探討

張海平 陶瑛 王國(guó)民

中材建設(shè)有限公司（100176）

管磨機(jī)筒體有限元分析載荷施加方法的探討

張海平 陶瑛 王國(guó)民

中材建設(shè)有限公司（100176）

在管磨機(jī)運(yùn)行中，筒體承受重載交變的動(dòng)載荷，并處于低速而長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。筒體屬于不更換的零件，要保證工作中安全可靠，并能長(zhǎng)期使用，有必要對(duì)其進(jìn)行有限元分析。本文分別對(duì)筒體兩種不同的載荷施加方法進(jìn)行分析探討，并對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為磨機(jī)筒體的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

ANSYS；管磨機(jī)；筒體；有限元分析；載荷

0 前言

管磨機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，對(duì)各種性質(zhì)的物料適應(yīng)性強(qiáng)，操作維護(hù)管理容易，易損件便于檢查和更換，能長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。在建材、冶金、電力、選礦、化工等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。管磨機(jī)筒體是用鋼板卷制焊接而成的圓筒形薄壁殼體，在筒體上還開有磨門（人孔）和螺栓孔。筒體承受重載交變的動(dòng)載荷，并處于低速而長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。筒體屬于不更換的零件，要保證工作中安全可靠，并能長(zhǎng)期使用[1]。

在有限元分析中，載荷的施加對(duì)分析結(jié)果的影響很大，載荷施加處理的正確與否直接關(guān)系到結(jié)果的正確性和合理性[2]。這里通過有限元軟件ANSYS對(duì)Φ4.2×14 m管磨機(jī)筒體載荷施加采用了不同的方法進(jìn)行有限元分析，并比較其結(jié)果，為該管磨機(jī)筒體的設(shè)計(jì)及長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)提供了一定的理論依據(jù)。

1 模型

該Φ4.2×14 m管磨機(jī)筒體是由進(jìn)口滑環(huán)、出口滑環(huán)、筒體、隔艙板、傳動(dòng)接管、進(jìn)料端滑履、出料端滑履組成。其中進(jìn)口滑環(huán)，出口滑環(huán)與筒體焊接在一起；傳動(dòng)接管通過焊接在其上的法蘭用螺栓與出口滑環(huán)聯(lián)接在一起；隔艙板通過螺栓與筒體聯(lián)接，并把筒體分成兩個(gè)倉(cāng),每個(gè)倉(cāng)開有一個(gè)人孔門,兩人孔門成180°角放置。筒體通過兩側(cè)的滑環(huán)支撐在四個(gè)滑履上。

筒體是用鋼板卷制焊接而成的圓筒形薄壁殼體，其厚度遠(yuǎn)小于板面長(zhǎng)寬的尺寸，是有限元中的薄板問題。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[3]。

在建立分析模型時(shí)沒有建立襯板、螺栓等模型，這是因?yàn)橐r板截面形狀復(fù)雜，難以建立與實(shí)際相符的模型；而螺栓數(shù)目較多，如果建模時(shí)全部考慮，則大大增加模型的復(fù)雜程度，浪費(fèi)計(jì)算機(jī)資源。這里將筒體的襯板、螺栓等特征按非結(jié)構(gòu)質(zhì)量處理，把它們的質(zhì)量按等效密度施加到相應(yīng)的筒體單元上[4]。根據(jù)筒體的結(jié)構(gòu)，采用了殼單元建模。兩側(cè)的四個(gè)滑履采用了三維實(shí)體單元建模。筒體分析模型如圖1所示。

為了更好地模擬所有易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域，人孔門及其圓角等關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格劃分較細(xì)，而非關(guān)鍵區(qū)域則可適當(dāng)粗大。模型網(wǎng)格劃分見圖2，圖3。

圖1 筒體分析模型

圖2 整體模型網(wǎng)格劃分

圖3 人孔門網(wǎng)格劃分

2 約束

根據(jù)管磨機(jī)的運(yùn)行情況，出料端兩滑履的底部表面施加固定約束，進(jìn)料端兩滑履的底部表面施加簡(jiǎn)支約束。兩端的滑環(huán)與相應(yīng)端的滑履通過接觸單元聯(lián)接。傳動(dòng)接管末端的軸向移動(dòng)和軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度施加約束。

3 載荷

在管磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，研磨體和物料等作用于磨機(jī)筒體上的載荷是動(dòng)態(tài)變化的，此處進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。把管磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周均勻地分成12個(gè)等分，每等分稱為1時(shí)，總共12時(shí)。當(dāng)然也可以劃分更多的等分，但考慮到計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算效率，通過比較發(fā)現(xiàn)劃分為12等分既可以提高計(jì)算效率，也能有效地反映出管磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周筒體的變形量和強(qiáng)度分布的變化[4]。

管磨機(jī)筒體的載荷問題長(zhǎng)期困擾著分析工程師。由于載荷施加的不同，所產(chǎn)生的分析結(jié)果有很大的差異，甚至影響其正確性。此處對(duì)管磨機(jī)筒體兩種不同的載荷施加方法加以分析討論。

3.1 載荷施加方法一

在考慮研磨體和物料的載荷作用時(shí)，按照流體介質(zhì)靜壓力施加在筒體的內(nèi)表面上類似于水壓力的理論，對(duì)于此磨機(jī)，按研磨體填充率30%計(jì)算，相應(yīng)的“液面”距中心平面高度為1 434 mm，且“液面”水平。載荷施加情況如圖4所示。

3.2 載荷施加方法二

當(dāng)管磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)，研磨體和物料的“液面”并不是水平的，而是與水平方向成一定的角度。載荷施加情況如圖5所示。

經(jīng)計(jì)算，隔艙板的質(zhì)量為12 303 kg，襯板的質(zhì)量為91 909 kg。作用力方向均為豎直向下。

圖4 載荷施加方法一示意圖（左）

圖5 載荷施加方法二示意圖（右）

4 分析結(jié)果及對(duì)比

限于篇幅，只顯示了載荷施加方法一所計(jì)算出的綜合變形分布圖和Von mises等效應(yīng)力分布圖，如圖6和圖7所示。

圖6 筒體綜合變形分布圖

圖7 筒體Von mises等效應(yīng)力分布圖

出料端人孔門的圓角區(qū)域（見圖7）為應(yīng)力值最為集中的區(qū)域。在兩種不同的載荷施加方法下，出料端人孔門圓角區(qū)域計(jì)算所得的應(yīng)力值及筒體變形結(jié)果對(duì)比見表1。限于篇幅，只列出了筒體在最大應(yīng)力值時(shí)刻（即載荷施加方法一11時(shí)和載荷施加方法二2時(shí)）的應(yīng)力值及筒體變形，沒有列出其它時(shí)刻的應(yīng)力值及筒體變形。

表1 兩種不同的載荷施加方法所得的計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

從表1對(duì)比分析可知:磨機(jī)筒體最大的等效應(yīng)力出現(xiàn)在出料端人孔門的圓角處，且載荷施加方法一的筒體應(yīng)力值及筒體變形要比載荷施加方法二的大。

若要減小人孔門的應(yīng)力，可以考慮增大人孔門的圓角半徑或增大人孔門加強(qiáng)板的板厚，進(jìn)一步提高筒體的可靠性。

5 結(jié)論

這里利用有限元軟件ANSYS對(duì)管磨機(jī)筒體進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)筒體載荷兩種不同的施加方法進(jìn)行了分析探討，并對(duì)他們的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

有限元分析結(jié)果表明，兩種不同的載荷施加方法下筒體的最大等效應(yīng)力都出現(xiàn)在人孔門處，其兩者的最大應(yīng)力值有較大的差異。因此，在筒體的設(shè)計(jì)過程中對(duì)以上方面必須全面和著重考慮。