ANSYS子模型法在管磨機(jī)筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中的應(yīng)用

張海平 劉艾明 陶瑛

中材建設(shè)有限公司（100176）

ANSYS子模型法在管磨機(jī)筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中的應(yīng)用

張海平 劉艾明 陶瑛

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)的狀態(tài)。要保證管磨機(jī)簡(jiǎn)體在工作中安全可靠，并能長(zhǎng)期使用，有必要對(duì)其進(jìn)行有限元分析。運(yùn)用ANSYS子模型法對(duì)管磨機(jī)筒體整體結(jié)構(gòu)采用殼單元計(jì)算，對(duì)筒體的關(guān)鍵部件采用實(shí)體單元進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，可以獲得更好的計(jì)算精度，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；子模型

0 前言

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(kāi)有磨門(mén)（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)。管磨機(jī)筒體是不更換的零件，要保證其安全可靠，并能長(zhǎng)期使用[1]。

基于有限元的應(yīng)力分析方法是目前管磨機(jī)筒體分析設(shè)計(jì)中較常用的一種方法。對(duì)大型的筒體設(shè)備結(jié)構(gòu)而言,如果整體模型全部采用實(shí)體單元，那整體模型的建立、網(wǎng)格劃分和計(jì)算將非常困難,而采用殼單元計(jì)算又不能得到關(guān)鍵部件的準(zhǔn)確應(yīng)力值和峰值應(yīng)力值。應(yīng)用ANSYS子模型法能較好地解決整體分析與局部分析的關(guān)系，整體模型采用殼單元，子模型采用實(shí)體單元。

1 子模型方法

子模型是得到模型部分區(qū)域中更加精確解的有限單元技術(shù),即從已分析的模型上截取部分區(qū)域,對(duì)該區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)劃后進(jìn)行二次應(yīng)力分析，從而得到更為精確的結(jié)果。子模型方法又稱(chēng)為切割邊界位移法或特定邊界位移法。切割邊界就是子模型從整個(gè)較粗糙的模型分割開(kāi)的邊界，整體模型切割邊界的計(jì)算位移即為子模型的邊界條件。

子模型分析過(guò)程一般包括建立并分析較粗糙的整體模型、建立子模型、生成切割邊界插值、分析子模型、驗(yàn)證切割邊界和應(yīng)力集中區(qū)域的距離應(yīng)足夠遠(yuǎn)等5個(gè)步驟。子模型只對(duì)體單元和殼單元有效。比較常見(jiàn)的整體模型和子模型一般有殼到殼、體到體子模型技術(shù)，本文使用的是較特殊的殼到體子模型技術(shù)[2]。

2 模型建立及分析

2.1 整體模型建立

該管磨機(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(guò)焊接在其上的法蘭用螺栓與出口滑環(huán)連接在一起；隔艙板通過(guò)螺栓與筒體連接，并把筒體分成兩個(gè)艙，每個(gè)艙開(kāi)有一個(gè)人孔門(mén)，兩入孔門(mén)成180°角放置；筒體通過(guò)兩側(cè)的滑環(huán)支撐在四個(gè)滑履上。

在建立分析模型時(shí)沒(méi)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；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[3]。

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)滑履采用了實(shí)體單元建模。筒體整體模型如圖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(mén)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)域網(wǎng)格則可適當(dāng)粗大。模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2和圖3。

圖1 筒體整體模型

圖2 筒體整體模型網(wǎng)格劃分

圖3 人孔門(mén)網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件

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(guò)接觸單元連接。

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(chēng)為1時(shí)，總共12時(shí)。在管磨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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[4]。對(duì)于管磨機(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。

經(jīng)計(jì)算，進(jìn)料端襯板的質(zhì)量為6 995 kg，出料篦板的質(zhì)量為8 249 kg,隔艙板的質(zhì)量為17 832 kg,兩艙襯板的質(zhì)量為87 675 kg,作用力方向均豎直向下。

2.3 子模型建立

管磨機(jī)筒體最大的等效應(yīng)力出現(xiàn)在出料端人孔門(mén)的圓角區(qū)域。為了得到此處更為精確的結(jié)果，采用ANSYS的子模型法對(duì)關(guān)鍵部位人孔門(mén)進(jìn)行應(yīng)力分析。

在保存、分析粗糙的整體模型結(jié)果后，清除數(shù)據(jù)庫(kù)或退出重新進(jìn)入ANSYS，以便建立子模型，見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 子模型

圖5 子模型網(wǎng)格劃分

建立子模型時(shí)，應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：

使用與粗糙的整體模型中同樣的單元類(lèi)型，同時(shí)應(yīng)指定相同的單元實(shí)常數(shù)和材料特性。

子模型的位置（相對(duì)全局坐標(biāo)原點(diǎn)）應(yīng)與粗糙的整體模型的相應(yīng)部分相同。

子模型的載荷應(yīng)與粗糙的整體模型相同。

子模型建立后，對(duì)其進(jìn)行切割邊界條件插值，即把原始粗糙的整體模型計(jì)算結(jié)果的節(jié)點(diǎn)位移映射到子模型的切割邊界上。

3 分析結(jié)果對(duì)比

整體模型采用殼單元建模，只能計(jì)算出各處沿壁厚的平均應(yīng)力，即薄膜應(yīng)力。整體建模無(wú)法詳細(xì)考慮局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，所以整體模型計(jì)算所得的應(yīng)力僅供參考，對(duì)局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析及線(xiàn)性化處理還需要局部結(jié)構(gòu)的子模型分析。整體模型計(jì)算出局部結(jié)構(gòu)切割面的位移，并將這些位移以載荷的形式加載到用實(shí)體單元建模的子模型即局部結(jié)構(gòu)上。

對(duì)整體模型和子模型分別進(jìn)行求解，分別得到整體模型的應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7和圖8，子模型的應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖9和圖10。由圖7和圖9以及圖8和圖10可以看出，兩者的應(yīng)力云圖吻合，整體模型和子模型在人孔門(mén)及其附近的應(yīng)力分布相似。整體模型的最大應(yīng)力在人孔門(mén)的圓角處，其值為69.7 MPa；子模型的最大應(yīng)力也在人孔門(mén)的圓角處，其值為74.3 MPa。

圖6 整體模型的等效應(yīng)力分布圖

圖7 整體模型人孔門(mén)（內(nèi)側(cè)）的等效應(yīng)力分布圖（左）

圖8 整體模型人孔門(mén)（外側(cè)）的等效應(yīng)力分布圖（右）

圖9 子模型人孔門(mén)（內(nèi)側(cè)）的等效應(yīng)力分布圖（左）

圖10 子模型人孔門(mén)（外側(cè)）的等效應(yīng)力分布圖（右）

4 結(jié)論

有限元分析結(jié)果表明，子模型的應(yīng)力分布與粗糙的整體模型相應(yīng)位置的應(yīng)力分布吻合很好，證明切割邊界的選取是正確的。如果不符合的話(huà)，就要重新定義離感興趣部分更遠(yuǎn)一些的切割邊界重新生成和計(jì)算子模型。在選擇切割邊界時(shí)一定要注意遠(yuǎn)離應(yīng)力集中區(qū)域。

大型設(shè)備的應(yīng)力分析較為復(fù)雜,應(yīng)用ANSYS子模型法中殼單元到體單元技術(shù)，可以很好地解決整體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力問(wèn)題，該方法是大型設(shè)備結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的一種有效方法。

[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]劉濤,楊鳳鵬,等.精通ANSYS[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2002.

[3]張海平.管磨機(jī)筒體有限元分析的探討[J].水泥工程,2013 (4)：35-37.

[4]張海平,陶瑛,王國(guó)民.管磨機(jī)筒體有限元分析載荷施加方法的探討[J].河南建材,2015(3)：142-143.