一種反滲透、納濾主機機架應力分析

趙文峰，蘇玉軍，寇曉峰

（甘肅省膜科學技術研究院，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

1.1 引言

現當今社會，我國許多企業都是依靠制造業為主體進行發展，我國各個企業之間經濟發展方面存在著激烈的競爭，說到底就是在競爭制造技術。在國家企業生產力中制造技術占比可以達到一半之多。發達國家之所以發展迅速就是因為他們的制造業發達和對制造產品分析透徹。現代的各種產品材質例如：PVC、UPVC、PE、不銹鋼、碳鋼、鋁合金以及專用材質等。先進制造科學與電子信息科學、材料工程學、生物科學等一系列先進學科的發展，促使當今社會機械制造業向著柔性化、敏捷性、集成化、智能化與信息化等方向快速發展。（1）柔性化；（2）敏捷性；（3）集成化；（4）智能化；（5）信息化。

1.2 背景

先分析后生產是當今社會生產必不可少的設備，也是一個國家制造業水平高低的一項指標。近年來，由于互聯網產業的飛速發展，使得模擬試驗和分析技術不斷先進，為解決制造業出現的共振，動態性能的研究分析對實現主機機架防止共振、機架產品高精密以及高效率是非常有意義的，這對提高產品質量以及避免浪費起著很大作用。

2 主機機架的三維建模

目前市面上有很多功能強大的、用戶數量多的三維建模軟件，如Solidworks、PRO/E、UG等。本課題中的三維建模利用Solidworks軟件進行。Solidworks軟件是著名的達索系統下的子公司Solidworks開發的一款三維設計軟件；Solidworks軟件主要特點有：（1）Solidworks軟件是首款基于Windows操作系統下的CAD軟件，所以該軟件與Windows系統全兼容；（2）菜單較少，使用直觀、簡單：Solidworks軟件具有60幾個命令，相對較少；（3）Solidworks數據轉換接口較多，轉換成功率高；（4）Solidworks獨特的配置功能；（5）Solidworks特征管理器；（6）Solidworks自上而下的裝配體設計技術；（7）比例縮放技術；（8）曲面設計工具；（9）支持工作組協同工作；（10）Solidworks合作伙伴計劃和集成軟件。本次所研究的主機機架的應力分析，采用空心方剛制作，底座尺寸為60mmx60mmx3mm，其他部分尺寸均為40mmx40mmx2.5mm，利用Solidworks軟件進行建模設計，模型如圖1所示。

圖1 模型圖

3 應力性能分析

本次應力分析的是反滲透、納濾主機機架的分析，由于作業環境的惡劣程度不同，例如運輸高度、共振頻率、酸堿Ph腐蝕、氣蝕、交變載荷、疲勞強度等。以上這些因素等等都會對反滲透、納濾主機機架造成一定程度的損害，但又是無法避免的和不可逆的，因此對反滲透、納濾主機機架進行如下的應力受力分析是非常有必要的，對優化設備具有深遠意義：

3.1 靜應力分析

主機機架是主機的一個重要組成部分，所有的都要安裝到上面，用來承受強大的作用力，因此它的可靠程度對整個主機的影響比較大，長遠考慮將直接影響整個設備的運行和無數同胞的飲水問題，因此對主機機架進行靜應力分析是很有必要的，主要分析如下：

主機機架與上一級鏈接部分是通過焊接而成的7個支點進行力的傳遞，利用SolidWorks自帶的分析軟件Simulation進行靜力學分析，主要過程是將7個支點固定，對工作面進行施加載荷進行分析，夾緊部分和載荷分布情況如圖2所示。

圖2 夾緊部分和載荷受力圖

網格化如圖3所示：

圖3 網格劃分圖

此分析過程對主機機架的計算量相當龐大，借助Simulation軟件的運算對此案例功能進行，Simulation對主機機架的分析工作完成后的結果如下圖4、圖5所示：

圖4 靜應力vonMises分析圖

圖5 靜應力合位移分析圖

設備運行時重量處于3t左右，給工作部分施加30000N的力時，力學分析圖如上圖，變形比例為205.265；此時的屈服力為2.827e+08N/m^2;由圖可以看出，整個零件為藍色狀態，少部分處于危險狀態（經查閱資料得出分析右側彩色條中，紅色部分為極限載荷區，藍色部分為安全區域），處于受力屈服一半偏上較少，偏下的較多，因此主機機架處于較安全狀態，檢查主機機架的變形情況，變形量比較小，載荷作用于主機機架后受力最大和最小位置如圖所示：最大9.489e+08m^2、最小7.141e+05m^2。

3.2 熱應力分析

主機機架是主機的一個重要組成部分，所有的都要安裝到上面，用來承受強大的作用力，因此它的可靠程度對整個主機的影響比較大，在工作時由于在交變載荷和振動的作用下會產生溫度差，因此安排如下熱應力分析，熱應力分析時所用軟件為SolidWorks自帶的分析軟件Simulation，受熱面為工作面，此分析過程對主機機架的計算量相當龐大，借助Simulation軟件的運算此案例功能進行，Simulation對主機機架的分析工作完成后的計算結果如圖6所示：

圖6 熱應力分析圖

當給工作面施加10度的溫度時，熱應力分析圖如上圖，變形比例為0，時間步長為1；此時無任何屈服力;由分析結果圖可以看出，整個零件始終處于安全狀態，綜上所述當主機機架的溫度變化小于等于15度時主機機架不會出現因熱應力造成破壞。

3.3 非線性應力分析

主機機架是主機的一個重要組成部分，所有的都要安裝到上面，用來承受強大的作用力，因此它的可靠程度對整個主機的影響比較大，在工作時由于工作環境的微小變化，例如高壓泵電壓的不穩定、供水不足空轉、膜堵塞等等；所受的載荷往往是不穩定的，常常表現為時而穩定時而不穩定的現象，把這種形式的現象出現稱為交變載荷，為此對主機機架安排如下的非線性力分析，非線性力分析時所用軟件為SolidWorks自帶的分析軟件Simulation，載荷施加主要過程是將7個支點固定，對工作面進行施加載荷進行分析，此分析過程對主機機架的計算量相當龐大，借助Simulation軟件的運算對此案例功能進行，Simulation對主機機架的分析工作完成后的結果如圖7、圖8所示：

圖7 非線性應力分析圖

圖8 非線性位移分析圖

當給工作部分施加30000N的力時，非線性力分析圖如上圖，變形比例為1；此時的屈服力為2.827e+08N/m^2;由圖可以看出，整個零件為藍色狀態，少部分成紅色（經查閱資料得出分析右側彩色條中，紅色部分為極限載荷區，藍色部分為安全區域），處于受力屈服的一半偏上，因此，主機機架輸于較安全狀態，綜上所述反滲透、納濾主機機架在非線性力狀態下不會出現因非線性力造成破壞。

4 結論與展望

隨著社會一天天的不斷發展，制造業水平越來越發達，市場的競爭越來越激烈，對工業產品的要求越來越高，特別是在應力學要求和有限元網格化分析方面，即對設計工藝師的設計要求越來越高，又對裝配師的裝配技能要求越來越高，特別是因為計算機技術的應用越來越廣泛，特別是虛擬制造和分析仿真方面越來越多，利用Simulation分析方法可以使得設計人員在設計時知道危險位置及造成的后果，設計者對自己所設計的產品性能有所了解，不再是原始的設計，制作一個樣本來解讀產品，通過這次反滲透、納濾主機機架的應力分析，彌補了實踐經驗法的不足，基于虛擬制造和分析是一個范圍特別廣的領域，那么還有很多方面的問題有待更研究，今后將更進一步的深入研究。