基于有限元的碟式分離機應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、隨著全球能源與環(huán)保行業(yè)的迅猛發(fā)展以及國際形勢日益復雜化，國防、冶金、食品、化工、核工以及藥劑等行業(yè)高品位、高純凈的需求凸現(xiàn)和低碳經(jīng)濟全球化；分離機械工業(yè)越來越受到各國的重視，對于碟式分離機來說，其生產(chǎn)數(shù)量與應(yīng)用規(guī)模已經(jīng)遠超其他類型連續(xù)離心機總和，正常工作過程中，機器的結(jié)構(gòu)安全性和加工穩(wěn)定性顯得尤為重要；針對當前碟式分離機轉(zhuǎn)速不斷提高、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)日益復雜化，采用經(jīng)典彈性力學理論不能滿足設(shè)計需要等問題；本文以LX-460型膠乳碟式分離機為研究

2、對象，以提高結(jié)構(gòu)安全性、降低應(yīng)力水平為目標，結(jié)合有限元分析與理論計算，對其主要結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性進行研究，提高分離效率與整機性能、降低勞動強度、增大生產(chǎn)能力。
　　本文對碟式分離機結(jié)構(gòu)進行研究的主要工作及所得研究結(jié)果如下：
　?。?）轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性研究
　　研究轉(zhuǎn)鼓工作轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)狀態(tài)與工作狀態(tài)兩種工況的結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性，確定有限元分析約束條件，建立分析計算模型，比較轉(zhuǎn)鼓兩種工況下的應(yīng)力分布規(guī)律；構(gòu)造幾何路徑，研究轉(zhuǎn)鼓螺紋牙、排料

3、口等高應(yīng)力區(qū)域的局部應(yīng)力；改變工作轉(zhuǎn)速，分析各工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力與工作轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律；建立轉(zhuǎn)鼓接觸計算模型，進行有限元接觸分析，研究接觸分析過程中，不同剛度系數(shù)Knormal對接觸模型計算速度與收斂曲線變化規(guī)律的影響，確定最優(yōu)剛度。研究表明：結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平分布不均，轉(zhuǎn)鼓筒體沉渣區(qū)、轉(zhuǎn)鼓側(cè)壁、螺紋牙等位置局部應(yīng)力水平很高，應(yīng)采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化等手段，考慮從降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中、改善結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)輕量化等方面進行設(shè)計。
　　（2）螺旋齒輪應(yīng)力特性研

4、究
　　參數(shù)化構(gòu)建螺旋齒輪實體模型，針對空間點接觸類型的特殊性，建立嚙合傳動有限元計算模型，進行三維接觸分析，比較不同齒對數(shù)嚙合，接觸應(yīng)力變化情況；確定導熱系數(shù)、對流換熱系數(shù)、溫度場約束條件，考慮螺旋齒輪嚙合傳動發(fā)熱對膠合、齒面磨損、點蝕等失效形式的影響，將溫度作為熱載荷，進行熱彈耦合分析，研究耦合場載荷分布規(guī)律。研究表明：不同齒對數(shù)接觸，齒面接觸應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，點接觸條件下，耦合場應(yīng)力水平較高，輪齒發(fā)熱加劇了齒輪磨損速度，

5、極大地影響了嚙合效率，脈動循環(huán)交變應(yīng)力引起齒輪、軸承的振動，導致轉(zhuǎn)鼓不平衡，引起嚴重的后果。應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低閉式齒輪箱發(fā)熱及輪齒受載狀態(tài)，提高傳動效率。
　?。?）評估有限元計算結(jié)果及強度校核
　　采用無力矩、有力矩理論分析轉(zhuǎn)鼓鼓壁以及邊緣效應(yīng)區(qū)的強度問題，理論分析螺旋齒輪的齒面接觸疲勞強度、齒根彎曲疲勞強度，將理論計算結(jié)果與有限元分析結(jié)果進行對比，驗證有限元建模分析計算方法的正確性，結(jié)合安定性原理及結(jié)構(gòu)強度評定準則，進

6、行強度評定，校核結(jié)構(gòu)強度的安全性。研究表明：有限元法與現(xiàn)有理論方法得到的轉(zhuǎn)鼓、螺旋齒輪應(yīng)力分布規(guī)律基本接近，相對誤差在20％以內(nèi)，驗證了有限元建模分析方法的正確性，通常情況下，理論方法進行應(yīng)力計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計比較保守，通過結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)有限元法分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力值比理論值稍大，這與現(xiàn)實相符，說明采用有限元法設(shè)計分離機結(jié)構(gòu)更具先進性，有限元值進行強度校核，結(jié)構(gòu)強度滿足要求。
　?。?）結(jié)構(gòu)多目標驅(qū)動優(yōu)化設(shè)計
　　利用ANSYS Wor

7、kbench環(huán)境中的多目標驅(qū)動優(yōu)化技術(shù)（GDO），對碟式分離機轉(zhuǎn)鼓鎖環(huán)與螺旋齒輪進行多目標驅(qū)動優(yōu)化設(shè)計分析，從安全性、經(jīng)濟性出發(fā)，結(jié)合優(yōu)化目標函數(shù)敏感性分析與參數(shù)響應(yīng)性分析，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)與性能參數(shù)，進行有限元分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計，比較優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)目標函數(shù)的變化規(guī)律，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。優(yōu)化表明：優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布相對比較均勻，應(yīng)力集中減小，最大等效應(yīng)力明顯降低，材料消耗減少，結(jié)構(gòu)綜合性能得到一定的提高，對碟式分離機結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及整機可靠