破碎机齿板应力变形有限元仿真研究.pdf

第18卷第2期2008年6月湖南工程学院学报JOURNALOFHUNANINSTITUTEOFENGINEERINGV01．18．N0．2JUNE2008破碎机齿板应力变形有限元仿真研究肖石光湘潭钢铁公司瑞星公司，湖南湘潭411101摘要应用机械结构有限元仿真方法，对颚式破碎机齿板的应力和变形进行了仿真研究，通过对仿真结果的分析，认为齿板应力和变形仿真能够部分反映其真实受力状态．关键词破碎机；齿板；应力；变形；有限元仿真中图分类号TH132文献标识码A文章编号1671119X2O08O2一O03OO30前言在对颚式破碎机齿板进行应力和变形等方面的有限元仿真分析时，在对齿的受力面施加载荷的过程中，会遇到一个这样的问题，即如何对齿板各个齿的受力面施加载荷在基于实体模型的零件有限元分析中，载荷和约束的施加是两个非常关键的步骤，对于大多数零件来说，载荷和约束都是比较明确的，在施加过程中不会有太大的困难．但在对齿板各个齿的受力面施加载荷时，如果给各个齿的受力面施加相同的载荷，那么这与齿板的真实受力情况相差甚远，其有限元分析不能真实反映齿板的应力和变形情况，研究中也就不能依据有限元分析结果对齿板结构进行修改和优化；如果根据齿板实际受力情况，给不同齿的受力面施加不同的载荷，那么需要用什么样的方法来确定不同齿受力面上的载荷大小呢通过对不同的载荷施加方法的研究，已经就这个问题进行了解答，本文仅介绍应用确定性力学方法对某型破碎机齿板进行有限元仿真研究．1齿板仿真的基本情况齿板应力和变形的有限元仿真是基于三维实体模型进行的．在齿板应力和变形仿真研究中，所应用的有限元分析系统是VISUALNASTRAN，该系统可以直接调用SOLIDEDGE的实体模型Ⅲ．在有限元仿真分析中，单元边界采用曲线形式，面单元采用二次曲面，网格划分采用系统自适应迭代自动划分法，只在应力和变形突变处根据经验进行手动细化处理，这保证既满足网格划分的精度要求，又可以减少单元数量，提高有限元数值计算的速度E。．2齿板有限元仿真的载荷计算在用确定性的力学方法对齿板进行应力和变形仿真时，通常都假定齿板的各个齿面受到大小相同、方向一致的均布力的作用，不同齿面受力的差异不予考虑E4,53．总破碎力P的计算公式如下PFS，M1式中S破碎机的结构参数；M矿石的力学参数．单个齿面所受载荷的合力大小为FFFP，P／N2式中R／破碎机齿板的结构参数，即齿数．各齿受力面所受均布载荷的大小为FFAF／A3式中A破碎机齿板的结构参数，即各齿受力面的面积MM2．根据上面的计算公式和参考文献E43可以很方便地计算出齿板受力面上的分布载荷值．3齿板有限元仿真在VISUALNASTRAN窗口中打开齿板的实体模型收稿日期20O71L03作者简介肖石光1955一，男，工程师，研究方向机械设计制造，三维建模与有限元仿真．第2期肖石光破碎机齿板应力变形有限元仿真研究31后，即可对模型进行载荷加载、约束施加等操作，然后确定齿板材料参数，划分网格，确定网格单元，包括单元边界和面单元的曲面形式，此后便可以对齿板模型进行应力和变形的有限元仿真．3．1施加载荷和约束在齿板有限元仿真的载荷施加中，齿板共有10个齿，假定各个齿面受到均布力作用，它们共同均匀地承担全部破碎力．仿真分析中的约束条件是，只有齿板底部受到固定约束，齿面受到均布载荷的约束，其它各面不施加约束．齿板的材料参数如表1所示．仿真分析中总破碎力的大小根据相关计算取4341588N，再结合该型破碎机的结构尺寸，可算得齿板受力面均布载荷为20N／MMZ，方向垂直指向齿面．实际上所施加的载荷的总值为4，781，720N，其值比总破碎力计算值大了9；但从多次分析的情况来，这不会对有限元分析的最终结果产生明显的影响4．材料的许用屈服应力取331N／MM。．应力和变形云图的变形系数取5000．齿板有限元分析中的材料数据如表1所示．表1材料数据表材料钢材弹性模量泊松比剪切模量质量密度热膨胀系数200Ⅳ【PA0．3077492N／NML7．85E一6KG／MM。1．13073E一5MM／MM／DEGK3．2网格划分有限元模型的网格平均尺寸取90．05MM，网格的最大允许偏差取15．在分析过程中，由于网格大小和网格偏差的确定都比较合理，有限元网格划分和系统测试都获得成功．齿板有限元模型的单元数5050个，节点数9043个．网格的实际最大计算偏差是11．12％，比允许值15小，所以网格划分是可以接受的．3．3应力和变形云图图1、图2分别是基于确定性力学载荷法的齿板应力、变形有限元分析云图，云图颜色分别表示应力和变形的大小；应力和变形的大小都用模型的变形量来表示．图1A表示齿板的应力等高线云图，图1B是齿板相应的等高线云图色标．图2A是变形等．高线云图，图2B是变形云图色标，变形以齿板变形量即位移的大小来表示，变形与位移成线性关系．图中红颜色越深，表示应力和变形越大；蓝颜色越深，表示应力和变形越小；绿颜色表示应力和变形处于两者之间_4．齿板确定性载荷法有限元仿真的应力与位移摘要如表2所示．齿板模型的最大应力是58．43N／MMZ，比许用屈服应力小得多．安全系数达6．76．最大位移只有0．01215MM，最小位移为0．可见，单从有限元分析结果来看，齿板完全可以做得薄一些，以节省耐磨材料．但是，如果结合载荷施加方法和齿板的实际工况，就容易知道，均布载荷没有反应出齿板实际工作中的真实受力状况，齿板实际受力情况是中间小两侧大．图1A应力等高线云图图1B应力云图色标图1齿板应力有限元仿真云图图2A位移等高线云图图2B位移云图色标图2齿板变形有限元仿真云图32湖南工程学院学报2008年从应力和位移云图中可以看出，齿板的应力和位移情况呈波浪式变化，这是由齿板的结构形式所决定的，因为齿板底部有16个140MII1X160MM的长方形盲孔，参见图．这些盲孔使得齿板的重量减轻了，节省了耐磨材料，增加了齿板与齿板座的贴合性，但同时也使得齿板的受力情况变得复杂；另外，齿板两端的开口，使得其附近的应力和变形加剧．同时可以看到，云图未能反映出齿板中部破碎力大、两侧破碎力小的齿板基本受力特征．尽管齿板模型的最大应力和变形只有58．43N／MM，安全系数高达6．76，但是，当向齿板中部齿的受力面施加最大载荷时，齿板的最大应力和变形到底会怎样变化基于确定性力学载荷法的有限元分析无法回答这一问题，所以，以此为依据对齿板进行结构修改还缺乏理论根据．表2齿板有限元分析摘要表参数数值注释力0．37213N／MM整体笛卡JL坐标平均V0NMISES奎曩力58．4374N／MM整体笛卡儿坐标平均V_ONMISES最小位移0．00000MM整体笛卡儿坐标幅值最大位移0．0121501MM整体笛卡儿坐标幅值4结论基于确定性力学载荷法的齿板有限元仿真只能部分仿真齿板的应力变形状况，不能全面而真实地反映出齿板的实际受力情况，如果要优化齿板结构参数、节省耐磨材料，就应该寻求采用非确定性力学载荷法对齿板进行应力和变形分析．这方面的研究工作已经初步展开，并且取得了一定的成果，详细情况可参考论文基于非确定性力学方法的齿板应力变形的有限元仿真研究．参考文献1UNIGRAPHICSSOLUTIORINC．SOLIDFAGEUSERSQS．VEXSION8，20O0，MU28900ENC2MSC．WORKINGKNOWLEDGEVISUALNASTRANDESKTOPTUTORIAL，VERSION6．2S．3CIFUENTES，ARTURO0．USINGMSC／NASTRANSTATICSANDDYNAMICSEM．NEWYORKSPRINGVERLAG，2001．E43秦荣．计算结构力学IM．北京科学出版社，2001．E5傅彩明．新型颚式破碎机动态设计研究D．北京北京科技大学，2004．STUDYONFINITEELEMENTSIMULATIONOFSTRESSANDDISPLACEMENTOFJAWCRUSHERTEETHPLATEXIAOSHIGUANGRUIXINGCO．，XIANGTANSTEELCO．，XIANGTAN411101，CHINAABSTRACTBYAPPLICATIONOFFINITEELEMENTSIMULATIONOFMECHANICALSTRUCTURE，THESTRESSANDDISPLACEMENTOFJAWCRUSHERTEETHPLATEHAVEBEENSIMULATEDANDSTUDIED．THROUGHANALYZINGOFTHESIMULATIONRESULTS，THECONCLUSIONHASBEENGAINEDTHATTHESTRESSANDDISPLACEMENTOFTHETEETHPLATECANREFLECTPARTIALLYTHEREALMECHANICSSITUATION，ANDFINITEELEMENTSIMULATIONOFTEETHTYPEPARTSCANREFLECTFACTUALLYTHEPRACTICEWORKINGSTATUSOFTHESEPARTS．KEYWORDSCRUSHER；TEETHPLATE；STRESS；DISPLACEMENT；FINITEELEMENTSIMULATION雄