有限元法在臥螺離心機轉(zhuǎn)鼓強度分析上的應(yīng)用_高志惠

1、有限元法在臥螺離心機轉(zhuǎn)鼓強度分析上的應(yīng)用高志惠，黃維菊，張俊青，陳文梅（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都610065）摘要：有限元法作為離心機強度計算的數(shù)值分析方法，相對于傳統(tǒng)的強度計算方法有著顯著的優(yōu)越性。對有限元法在臥螺離心機轉(zhuǎn)鼓強度分析上的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，對用有限元法分析轉(zhuǎn)鼓強度時應(yīng)重點考慮的問題進(jìn)行了討論，并對其在臥螺離心機設(shè)計中的更多應(yīng)用進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：臥螺離心機；轉(zhuǎn)鼓；有限元法；強度中圖分類號：TQ051.8+4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1005-8265（2009）04-0033-030引言臥式螺旋卸料沉降離心機(下稱“臥螺離心機” 自1954年出現(xiàn)后，由于它具有單機處理能力大、

2、操作方便、能連續(xù)自動操作、勞動強度低、占地面積少以及維護費用低等優(yōu)點，得到了迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、醫(yī)藥、食品、輕工等部門。由于懸浮液的沉沉渣的輸送和脫水都在轉(zhuǎn)鼓中完成，因此轉(zhuǎn)鼓是臥降、用傳統(tǒng)的螺離心機的主要部件1。因轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，強度設(shè)計計算方法，對轉(zhuǎn)鼓各部位的應(yīng)力往往得不到正確的估價從而影響離心機使用的安全性2，并且按此算法設(shè)計的離心機轉(zhuǎn)鼓系相關(guān)尺寸有較大富裕，造成材料的浪費，是很不經(jīng)濟的3。采用有限元法分析設(shè)計轉(zhuǎn)鼓是解決這個問題的有效手段，它不受幾何形狀的限制，可以直接對轉(zhuǎn)鼓整體的各部分進(jìn)行詳細(xì)計算，具有重要實際工程價值。也開始將有限元法用于離心機轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力分析89。2.

3、1應(yīng)用現(xiàn)狀近20多年來，許多學(xué)者和工程技術(shù)人員先后開展了有限元分析在轉(zhuǎn)鼓強度計算上的應(yīng)用研究，取得了極有價值的成果。在優(yōu)化轉(zhuǎn)鼓目標(biāo)函數(shù)方面，以轉(zhuǎn)鼓重量為目標(biāo)函數(shù)，以強度約束、位移約束和幾何約束為約束條件，采用有限元法作應(yīng)力分析，運用混合懲罰函數(shù)法進(jìn)行尋優(yōu)10；以啟動轉(zhuǎn)鼓所需的驅(qū)動功率為目標(biāo)函數(shù)，以填料比例、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、摩擦系數(shù)及回彈系數(shù)等參數(shù)為設(shè)計變量，應(yīng)用有限元法對轉(zhuǎn)鼓部件進(jìn)行仿真，得到了填料比轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、摩擦系數(shù)對動態(tài)結(jié)構(gòu)仿真影響很大的結(jié)例、論11；以轉(zhuǎn)動慣量為目標(biāo)函數(shù)，采用ANSYS 有限元軟件對轉(zhuǎn)鼓完成參數(shù)化建模，以這些參數(shù)為設(shè)計變量，基于有限元分析計算，對轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化以分離

4、因數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，以轉(zhuǎn)鼓直徑、回轉(zhuǎn)角設(shè)計12；速度、壁厚為設(shè)計變量建立優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過逐次迭代，得到了轉(zhuǎn)鼓的優(yōu)化尺寸，提高了轉(zhuǎn)鼓的分離能力，降低了轉(zhuǎn)鼓的壁厚13。在研究轉(zhuǎn)鼓參數(shù)方面，應(yīng)用Pro/E軟件建立了臥螺離心機轉(zhuǎn)鼓的有限元模型，通過改變轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑、大端質(zhì)量、筒體壁厚等主要尺寸參數(shù)和轉(zhuǎn)速、液池深度等可調(diào)節(jié)的機械參數(shù)分別對轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行了模態(tài)和靜力仿真分析。通過分析，分別獲得轉(zhuǎn)鼓各參數(shù)的變化對其頻率、應(yīng)力及應(yīng)變的影響14；通過ANSYS 有限元軟件分析轉(zhuǎn)鼓系統(tǒng)的模態(tài)特性及變形問題，通過對轉(zhuǎn)速的優(yōu)化，得2有限元法在轉(zhuǎn)鼓強度分析上的應(yīng)用由于臥螺離心機轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的多樣性及復(fù)雜性，如Souroku Suz

5、uki 研制的雙錐角臥螺離心機4；Woon-Fong Leung 等在轉(zhuǎn)鼓錐段排出口附近的內(nèi)筒上安裝流動控制結(jié)構(gòu)5；Tetsuo Ohinata 等開發(fā)的直筒壓榨式臥螺離心機6，使得適合分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元法得到了廣泛應(yīng)用。從1983年起，英國BS767“工業(yè)及商業(yè)用過濾式離心機和沉降式離心機”標(biāo)準(zhǔn)就明確指出，對于旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力分析，最合適的方法是有限元分析方法7。為探求合理的設(shè)計計算方法，我國從20世紀(jì)80年代起，收稿日期：2009-09-28，.到了轉(zhuǎn)鼓在一、二階固有頻率下其最大變形值分別發(fā)生在大端和小端的結(jié)論15；應(yīng)用VisualNastran 有限元仿真軟件對臥螺離心機轉(zhuǎn)鼓虛擬樣機模型

6、在各種工況下進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變仿真分析，得到了轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力和徑向位移的分布情況。并在此基礎(chǔ)上，主要對轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速16和轉(zhuǎn)鼓壁厚進(jìn)行了優(yōu)化，提高了離心機的分離效果，減輕了離心機質(zhì)量。在研究轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)方面，應(yīng)用ANSYS 有限元軟件建立了臥螺離心機雙錐角轉(zhuǎn)鼓的二維有限元模型，對其在正常工作狀態(tài)下的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析，得到了轉(zhuǎn)鼓的徑向、軸向變形和應(yīng)力分布及最大應(yīng)力點17。對改進(jìn)后的雙錐角轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行強度和剛度的校核，為驗證雙錐角結(jié)構(gòu)的安全性提供了理論依據(jù)。除此以外，在回顧以往轉(zhuǎn)鼓強度分析的基礎(chǔ)上，探討了轉(zhuǎn)鼓強度評定準(zhǔn)則18；應(yīng)用Pro /E軟件，對臥式螺旋沉降離心機進(jìn)行參數(shù)化建模和可視化設(shè)計，并對臥式螺旋沉降離心

7、機轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行機構(gòu)工作過程仿真，實現(xiàn)了在臥螺離心機的設(shè)計階段可視地對它進(jìn)行干涉檢測，為實物的制作及安裝環(huán)境提供一切必要的準(zhǔn)備19等等。目前對臥螺離心機轉(zhuǎn)鼓強度的有限元分析主要在改變參數(shù)后看轉(zhuǎn)鼓是否還滿足強度和剛度要求。其實轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)、形狀和參數(shù)在很大程度上決定了離心機的特點和工藝效果。若是轉(zhuǎn)鼓參數(shù)變化導(dǎo)致其強度低，高轉(zhuǎn)速離很難提高離心機的分離因數(shù)，束縛了大直徑、而且目前對轉(zhuǎn)鼓參數(shù)的研究僅限于轉(zhuǎn)速、心機的發(fā)展。硬盤空在有限元分析中，為了減少占用的RAM 、必須適當(dāng)?shù)睾喕瘜嶓w。目前，許多分析間和CPU 時間，網(wǎng)格劃分直接影響到計算結(jié)果的精度和計算速度，甚至?xí)驗榫W(wǎng)格劃分不合理而導(dǎo)致計算不收斂。目前對臥

8、螺離心機轉(zhuǎn)鼓的網(wǎng)格劃分一般采用四面體如果不使用中間節(jié)點，在很多單元。對于四面體單元，在臥螺離心機運行過程中，轉(zhuǎn)鼓主要承受由于轉(zhuǎn)鼓自身質(zhì)量高速旋轉(zhuǎn)引起的離心力作用以及物料離心壓力作用。值得注意的是轉(zhuǎn)鼓自身質(zhì)量引起的離心力但由作用容易考慮，計算軟件通常提供此項分析功能。于物料離心壓力與回轉(zhuǎn)半徑的平方成正比，計算軟件在進(jìn)行有限元分析時，目前大都是應(yīng)用Pro/E等三維軟件對轉(zhuǎn)鼓建立實體模型，然后通過導(dǎo)入接口導(dǎo)入到專業(yè)的有限元分析軟件ANSYS 中進(jìn)行分析。這種軟件分析的功能比較強大，可以進(jìn)行全面的力學(xué)分析，但是使用者應(yīng)具有豐厚的力學(xué)背景知識，還需要多次的實踐和經(jīng)驗積累，因為專業(yè)，所以比較難學(xué)22。而且

9、最致命的缺點就是在將Pro/E模型導(dǎo)入ANSYS 時，經(jīng)常會出現(xiàn)復(fù)雜曲面發(fā)生曲面丟失或者變形的情況。有些學(xué)者為了解決導(dǎo)入帶來的問題，就直接在ANSYS 軟件中進(jìn)行分析對象的實體建模，以求得到更加準(zhǔn)確的分析結(jié)果。但是ANSYS 是側(cè)重于有限元分析的軟件，用它來實體建模會很不方便。若使用集成有Cos mosWorks 有限元分析軟件的SolidWorks 軟件，在傳統(tǒng)強度設(shè)計計算的基礎(chǔ)上，用SolidWorks 軟件建立三維模型，用CosmosWorks 有限元分析軟件進(jìn)行應(yīng)力的有限元分析，既方便快捷，又能較為準(zhǔn)確地確定各部位的應(yīng)力值。機的設(shè)計制造等各個環(huán)節(jié)將發(fā)揮著重要作用，它使離心機向著更安全、

10、更經(jīng)濟的方向發(fā)展的目標(biāo)成為可能。可以樂觀的估計，在不遠(yuǎn)的將來，有限元方法將非常廣泛地應(yīng)用到離心機行業(yè)的各個領(lǐng)域，它將為我國的離心機設(shè)計水平趕超國際先進(jìn)水平而發(fā)揮重要的作用。參考文獻(xiàn)：1李自光，毛文貴，傅彩明. 臥螺離心機轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力應(yīng)變有限元2006，22(1：62-65. 仿真分析J.食品與機械，2周知進(jìn)，傅彩明. 臥式螺旋離心機轉(zhuǎn)鼓參數(shù)變化對其模態(tài)影響的仿真J.中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版 ，2007，38(2:309-313.周密. 易澤明. 離心機復(fù)雜轉(zhuǎn)鼓的有限元優(yōu)化計算J.3馮立成，機械強度，2002，24(2：295-297.4Souroku Suzuki.Three -phase se

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14、鼓虛擬樣機建模與有限元仿真研究J.湖南工程學(xué)院學(xué)報，2005，15(4：44-47. 17董俊華，劉忠明，范德順. 臥螺離心機雙錐角轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的有限元分析J.北京化工大學(xué)學(xué)報，2004，31(4：99-102.（48頁）3展望有限元法在臥螺離心機的分析設(shè)計中發(fā)揮了非常重要的作用，使離心機的結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，有效地提高了工作性能，帶來了良好的經(jīng)濟效益。但目前情況下，大都將螺旋輸送器、轉(zhuǎn)鼓等零部件分開進(jìn)行研究，對螺旋-轉(zhuǎn)鼓組進(jìn)行整體研究的卻很少，即使進(jìn)行整體研究時，為了簡化模型，也將螺旋-轉(zhuǎn)鼓組考慮為多剛體系統(tǒng)，所得結(jié)果不能真實反映離心機的工作特性；目前尚未有用于離心機轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力分析評定的系統(tǒng)方法，考慮

15、到離心機轉(zhuǎn)鼓可以認(rèn)為是一種特殊的承壓設(shè)備，所以對轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行有限元應(yīng)力分析時，可以參照在壓力容器行業(yè)制定的應(yīng)力分析評定標(biāo)準(zhǔn)，但有限元法不能對應(yīng)力進(jìn)行進(jìn)一步分析，不能區(qū)分出應(yīng)力的類型，得出的結(jié)論不能對轉(zhuǎn)鼓的優(yōu)化提供更加可信的科學(xué)依據(jù)，這些方面還有待進(jìn)一步的研究與發(fā)展。有限元法在離心機行業(yè)將會有更廣大的空間。比如用有限元法分析轉(zhuǎn)鼓在焊接過程中的殘余應(yīng)力，充分指導(dǎo)機械的焊接過程；在開機、停機等瞬態(tài)過程中的應(yīng)力進(jìn)行分析，解決在這些過程中的機器損害等等。（26）（30）（34）（38）（41）（45）噴灌用水力旋流器的設(shè)計與數(shù)值模擬劉建華，連黎明，翟國亮三級變壓器油真空濾油機技術(shù)參數(shù)分析曹鳳偉編織濾布自身性

16、能對過濾的影響朱永愛，劉國榮臥螺離心機在酒糟廢液分離中的應(yīng)用劉長星丁啟圣新型過濾機在工業(yè)中的應(yīng)用（待續(xù)）油氣回收技術(shù)的研究現(xiàn)狀李榮強，劉國榮，周季乾，等第4期金屬絲網(wǎng)過濾器過濾初期階段壓力特性的研究*代廣平，張博松，羅曉蘭，等（1）金屬離子固載膜及其有機物的滲透汽化分離*項雯，杜春慧，吳禮光（5）納濾分離機理及應(yīng)用于高含鹽溶液脫鹽的進(jìn)展*陳利，沈江南，林龍，等（9）殼聚糖復(fù)合絮凝劑處理含油廢水丁仕強（13葛寧，馮穎（17）改性PVA-CA 共混膜的制備與性能研究楊德武，微電解-混凝工藝預(yù)處理染料廢水的研究盧科峰，李艷（20）旋轉(zhuǎn)壓濾機功率消耗的實驗研究陳望，曾振祥，李發(fā)軍（22）金屬燒結(jié)氈濾芯

17、過濾非牛頓料漿實驗研究吉慶林，劉國榮（26）膜分離氨基酸的模型研究王一鳴，張永鋒，許振良，等（30）有限元法在臥螺離心機轉(zhuǎn)鼓強度分析上的應(yīng)用高志惠，黃維菊，張俊青，等（33）劉姣（36）石腦油脫水試驗及消減堿渣的研究馬慶磊，鍋爐分離除塵工藝方案潘永寶，裴亮, 姬濤（38）碟式分離機和臥式離心機在生物工程中的應(yīng)用王友強（41）丁啟圣（44）新型過濾機在工業(yè)中的應(yīng)用（續(xù)完）*基金論文：16自引頻次：15!（上接第35頁）18譚蔚，王澤軍，朱企新. 有限元方法在離心機轉(zhuǎn)鼓強度分析中的應(yīng)用J.化工機械，2002，29(2：103-107.陶學(xué)恒，馮少嶺，等. 臥式螺旋沉降離心機的三維可視19楊宇，20

18、08，25(2：8-9. 化設(shè)計及仿真J.機械設(shè)計，20劉東杰，陳志，李建明，等. 虹吸式離心機轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)的有限元應(yīng)力分析J.流體機械，2008，36(03：24-28.21陳海生，張慧峰. 臥螺離心機轉(zhuǎn)鼓的三維有限元分析J.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2007，17(3：20-22.戴建強，席晨飛. 基于SolidWorks 的應(yīng)力分析和運22蔡慧林，動仿真的研究J.機械設(shè)計與制造，2008，(1：92-94.Application of the Finite Element Method in the StrengthAnalysis of a Decanter Centrifuge DrumGAO Zhi-hui ，HUANG Wei-ju ，ZHANG Jun-qing ，CHEN Wen-mei (Schoolof Chemical Engineering, Sichuan University ，Chengdu 610065，ChinaAbstract:Finite element method as a method of numerical analysis for calculating centrifuge strength has significant superiority over the traditional calculation methods. T