（化工过程机械专业论文）加强箍对离心机转鼓应力特征影响的研究.pdf

摘要 转鼓是离心机的关键部件之一。转鼓的设计和强度计算直接影响到离心机 的综合使用性能，但转鼓转速和直径的提高，很大程度上受转鼓强度的限制。为 了满足强度的要求，一些设计制造单位采用在转鼓简体上设置加强箍的措施。因 此准确地掌握加强箍对筒体应力的影响具有非常重要的意义。 关于转鼓带加强箍问题，在世界各国离心机行业标准中，都有转鼓可以使 用加强箍的论述。b se n l 2 5 4 7 、v d m a2 4 4 0 1 一i 和我国的喝t8 0 5 1 都定义了 具体的加强箍系数选取公式，但规定不一，且没有考虑加强箍与筒体间存在预紧 量的情况，此外对加强箍何时对转鼓起到保护作用以及起到什么保护作用的问题 没有一个统一的准确的认识。 加强箍与转鼓筒体间的连接属于接触力学问题，连接处的应力分布相当复 杂，且在有预紧量时加强箍与筒体之间还在存在着一定量的过盈，因此很难从理 论上解决鼓箍接触问题。本文通过采用有限元法进行模拟计算，得出了加强箍的 结构和在筒体上的分布等因素对简体应力的影响规律。分析结果表明，无论鼓箍 间是否有预紧量，在等加强箍截面积条件下，当a e 时，即箍截面的轴向尺寸 大于径向尺寸时，加强箍对简体的加强作用较其它形状要好，但是当截面积 a 1 6 艿2 时，箍截面的高厚比a ( a = a e ) 对应力结果的影响甚微；无论鼓箍 间是否有预紧量，只有当箍间距c p ) o nc y l i n d e ri sg r e a t e rt h a no t h e rs h a p e so fl o o pi nt h ec o n d i t i o no fe q u a l c r o s s s e c t i o n a la r e a so fr e i n f o r c e m e n th o o p w h e nc r o s ss e c t i o na 16 6 2 t h e d e p t h t h i c k n e s sr a t i oa o fl o o pc r o s s s e c t i o nh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h es t r e s sr e s u l t n om a t t e ri ft h e r ei sp r e t e n s i o nb e t w e e nl o o p sa n dc y l i n d e r t h ec y l i n d e rb e t w e e nt w o l o o p si sb e i n gr e i n f o r c e dj u s tw h e nt h el o o ps p a c ec 3 5 x ( w h i c hr 0r e p r e s e n t s t h em e a nr a d i oo fc y l i n d e r 万m e a n st h ew a l lt h i c k n e s so fc y l i n d e r ) t h e e n f o r c e m e n te f f e c ti sm o s t s i g n i f i c a n t w h e n c = x r 0 8 f o rd e f i n i t i v et o t a l c r o s s s e c t i o n a la r e ao fl o o p t h et w om e t h o d sf o rr e d u c i n gt h es t r e s sl e v e lo fb o w l ， o n eo fw h i c hi se n l a r g i n gt h ep r e t e n s i o na n dt h eo t h e ri si n c r e a s i n gc r o s s s e c t i o n a l a r e aa r ee q u i v a l e n t o nb a s i so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s e v e r a lr e v i s i n gs u g g e s t i o n so ft h e a p p l i c a t i o ns c o p eo fr e i n f o r c e dl o o pc o e f f i c i e n tzi nj b t8 0 51 - 19 9 6s t a n d a r do f s t r e n g t hc a l c u l a t i o n f o 厂c e n t r i f u g a lb o w la r ep r o p o s e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：r e i n f o r c e dl o o p ，c e n t r i f u g a lb o w l ，c o n t a c ta n a l y s i s ，p r e t e n s i o n , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 符号说明 e n g l i s h g r e e k 符号说明 加强箍的横截面积，m 2 ； 加强箍轴向高度，m ； 加强箍间距，m ； 转鼓鼓底端长，m ； 转鼓鼓顶端长，m ； 加强箍径向厚度，m ； 转鼓高度，m ； 无预紧量时的应力强化系数，无量纲； 有预紧量时的应力强化系数，无量纲； 无预紧量时的薄膜应力强化系数，无量纲； 有预紧量时的薄膜应力强化系数，无量纲； 预紧量，m m ； 转鼓平均半径，m ； 转鼓内半径，m ； 加强箍轴向高度系数，无量纲； 加强箍径向厚度系数，无量纲； 转鼓壁厚，m ； 加强箍的截面积系数，无量纲； 鼓底端长系数，无量纲； 鼓顶端长系数，无量纲； 加强箍高厚比，无量纲： 2 4 口 c 以 或 p 办 厶 瓦 t p 巧 口 p 艿 g 仇 仇 a 符号说明 无加强箍时的环向应力有限元解，p a ； 环向应力b se n l 2 5 4 7 理论解，p a ； 环向应力j b 厂r 8 0 5 1 理论解，p a ； 环向薄膜应力有限元解，p a ； 无预紧量时的环向应力有限元解，p a ； 有预紧量时的环向应力有限元解，p a ； 环向应力v d m a 2 4 4 0 1 i 理论解，p a ： 加强箍间距系数，无量纲； 加强箍个数，个； 转速，r r a i n 。 3 砧砖彰吖吖吖z国 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 志签字日期：二啼年厂月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：j 彩扔是 签字日期：少卯扩年莎月多日 导师签名： 礁前 l 签字日期：j 例圹年多月日 前言 - 】l - - 一 刖吾 离心机转鼓是离心机的主要工作部件。离心机转鼓在装有物料运行时，由于 转鼓自身质量、物料质量和转鼓内的附件质量产生离心力，从而使转鼓产生应力 和变形，因此转鼓强度直接影响了离心机的综合使用性能和生产的安全性，是离 心机设计的核心问题。 为了满足转鼓强度的要求，有时会对转鼓设置加强箍，加强箍是沿着离心机 转鼓的轴向方向被安装在筒体外壁面上。关于加强箍问题，在世界各国离心机行 业标准中，都有转鼓可以使用加强箍的论述，并在b se n l 2 5 4 7 、v d m a 2 4 4 0 1 一i 和鹏t8 0 5 1 标准中给出了加强箍系数的计算方法。但对加强箍的作用，一种认 为安装加强箍的主要目的是改变转鼓筒体的应力状态，增加转鼓强度，减薄壁厚， 降低成本；另一种认为加强箍仅在简体失效时起保护作用。因此准确地了解加强 箍对筒体应力的影响对于转鼓强度的设计与标准的修订具有非常重要的意义。 本文针对带有加强箍的离心机转鼓，采用有限元方法，对简体与加强箍间无 预紧量和有预紧量两种情况下的转鼓应力特征进行了研究，明确了加强箍对筒体 的加强作用。通过研究，得到了加强箍的截面形状以及加强箍在筒体上的分布对 筒体应力的影响规律。并把有限元计算结果与相关标准的计算结果进行了比较， 对标准中的加强箍系数进行了分析可和讨论。研究结果为带加强箍的离心机转鼓 的设计和标准的修订提供了依据。 第一章文献综述 1 1 离心机的结构与应用 第一章文献综述弟一早义陬琢尬 离心机是利用离心力，分离液体与固体颗粒或液体与液体的混合物中各组分 的机械，广泛应用于化工、石油、食品、制药、选矿、煤炭、水处理和船舶等部 门l i j 。主要用于将悬浮液中的固体颗粒与液体分开；或将乳浊液中两种密度不同， 又互不相溶的液体分开( 例如从牛奶中分离出奶油) ；它也可用于排除湿固体中的 液体，例如用洗衣机甩干湿衣服；特殊的超速管式分离机还可分离不同密度的气 体混合物；利用不同密度或粒度的固体颗粒在液体中沉降速度不同的特点，有的 沉降离心机还可对固体颗粒按密度或粒度进行分级。 离心分离机的作用原理有离心过滤和离心沉降两种。离心过滤是使悬浮液在 离心力场下产生的离心压力，作用在过滤介质上，使液体通过过滤介质成为滤液， 而固体颗粒被截留在过滤介质表面，从而实现液一固分离；离心沉降是利用悬浮 液( 或乳浊液) 密度不同的各组分在离心力场中迅速沉降分层的原理，实现液一固 ( 或液一液) 分离。 沉降离心机首先必须有一个盛放物料的圆筒形装置成为转鼓；其次转鼓必须 回转而需要转轴来带动，称为回转轴；最后为了使物料能够处在对称的力场中， 且使物料不要甩出来，再加上一些其它的结构，其装置如图1 1 所示。转鼓高速 旋转时，其中物料运转在一个轴对称的离心场中，物料中各相由于位置、密度不 同受到不同的外力场作用而分层沉淀，质量越大，颗粒最粗的分布在转鼓最外层； 质量最小，颗粒最细的聚集到转鼓内层，澄清液则从机上溢流。离心沉降主要是 用于分离含固体量比较少，固体颗粒较细的悬浮液。 在离心过滤分离模式中，滤液要从转鼓排出去，所以这种装置的转鼓上必须 开孔。其次，为了不致使固体颗粒漏出来，转鼓内必须设有网状结构的材料层， 称其为滤网或滤布。其余转轴等则与离心沉降装置相同，如图1 2 所示。转鼓旋 转时，液体由于离心力的作用，透过有孔鼓壁而泄出，固体则留在转鼓壁上，可 见，离心过滤主要可以用来分离含固体量较多、固体颗粒较大的悬浮液【2 3 】。 4 第一章文献综述 阿1 - 1 沉降离心机的典型结构 f i g 】一1t y p i c a l d n k m m o f s e t t l i n gc e n t f i f i j g e 1 2 离心机转鼓的受力分析 r - r 、- _霉 譬| 是 ，# m 女 图1 - 2 过滤离心机的典型结构 f i g1 - 2 t y p i c a ls t r i l c n r o f f i l t e r i n gc 日g e 离心机转鼓是一个每分钟转动数百至数万转以上的高速回转壳体。组成转鼓 的基本零件的形状有圆筒形、圆锥形及平板形，转鼓的本体有圆筒或圆锥形壳体 等，见图卜3 ，它们均属于高速回转壳体。高速回转时，在离心力的作用下转鼓 壁内要产生很大的应力，这些应力是由转鼓金属的自身质量产生的离心力，及在 转鼓内壁上所附着的筛网、物料和液体层所产生的离心力作用在鼓壁上产生的， 见图1 - 4 。因此，转鼓豹强度计算必须同时考虑这几部分离心力所产生的应力【】”。 离心机转鼓是离心机的关键部件之一。一方面，转鼓的结构对离心机的用途、 操作、生产能力和功率等均有决定性的影响；另一方面，转鼓自身因高速旋转受 到离心惯性力的作用，在转鼓体内会产生很大的工作应力，如果发生强度破坏， 将引发不必要的损害，尤其是当应力过高时将发生鼓体“崩裂”，常会引起严重 的人身伤害事故。由此可知，转鼓的设计和强度计算直接影响到离心机的综合使 用性能，是离心机设计的中心问题【4 - 5 】。 目 嘲l - 3 离心机转鼓示意罔 f i g 13s c h e m a t i cc c m r i f u g a lb o w l 5 o - l _ 1 、i r 霉 缸 i警l - 瓮 第一章文献综述 罔1 4 离心机转鼓受力示意图 f i g1 4c e m i m g a l b o w lf o r c es e h t i c p l a n 转鼓壁所受的应力按照产生的原因可分为两类：薄膜应力和边缘应力。其中 由物料质量、筛网质量和鼓壁自身质量产生的离心惯性力所引起的应力是薄膜应 力，它是平衡外载荷的应力，分布在整个转鼓壁上。基本特点是：当它超过材料 屈服极限时将产生过度变形而破坏，属于常规设计方法中所考虑的应力：由于鼓 壁与鼓底、拦液板和加强箍等连接点处变形互相约束，产生附加边缘力系所引起 的应力是边缘应力。这种应力的特征是具有自限性，当局部区域内的材料产生屈 服或小量变形时，相邻部分之间的约束便得到缓和，使变形趋于协调不再继续发 展，应力就自动地限制在一定的范围内。只要边缘应力与薄膜应力叠加后的边缘 效应区的当量应力小于规定值，转鼓壁就不会发生破坏，而这个规定值可根据安 定性原理加阱控制”j ， 1 3 离心机转鼓带加强箍问题的研究现状 关于转鼓带加强箍问题，国外文献中几乎查不到有关此方面的文章，但在世 界各国离心机行业标准中，都有转鼓可以使用加强箍的论述”i 。i s o6 1 7 8 提到 了加强箍系数，但没有给出具体的公式【6 】。b se n l 2 5 4 7 、v d m a2 4 4 0 11 都定 义了加强箍系数，其公式的形式是相同的，见式( 1 1 ) ，所不同的只是关于箍间距 c 的定义【1 ”。v d m a2 4 4 0 1 = i 标准中，箍间距c 指相邻两个加强箍边缘间的轴 向距离；而b se n l 2 5 4 7 标准中指相邻两个加强箍中心间的轴向距离，见图l 一5 。 总体说来，这两种方法的主旨是将加强箍的截面积，折算成鼓壁的当量厚度加在 两个加强箍之间的鼓壁上： z = 1 + a ( 6 c )( 1 i ) 第一章文献综述 式中：z 一加强箍系数； 彳一加强箍的横截面积，m 2 ； 一转鼓的中径，m ；其它符号含义见图1 - 6 。 在没有加强箍加强时，取z = l 。 此系数仅在下列前提下适用：p 2 6 ；a 2 孑；c 、2 眨6 ，加强箍所使用 的材料应与转鼓相同。 2 r , ll ， 、 、 旦 i j 1 、 化 l c l 。、 i 上彭 、 6 、 心 心。 、 图1 5 加强箍示意图 f i g 1 - 5s c h e m a t i cr e i n f o r c e dl o o p s 图中：p 一加强箍的高度，m ；c 一加强箍的轴向间距，m ；6 一转鼓壁厚，m ； 一转鼓高度，m ；，i 一转鼓内半径，m ；吩一物料环内半径，m 。 国内对此问题的研究工作也微乎其微。文献【1 6 利用s s 一1 0 0 0 离心机转鼓 结构对加强箍无预紧量情况进行定性研究【1 6 1 ，研究认为加强箍无过盈配合时只有 在转鼓筒体的纵焊缝开裂时才起到了加强作用。利用某厂生产的上悬式离心机转 鼓对加强箍有预紧的情况进行了分析，表明加强箍与筒体应该采用有过盈配合的 连接方式且加强箍材料的强度要优于筒体。但是他们的研究都是建立在对某一具 体的转鼓结构分析的基础上，其研究结论的普遍性有待商榷。另外，在有过盈配 合的分析中，其提出的过盈量计算方法是按照弹性力学理论分析的，并且假设过 盈配合的套合力在加强箍轴向方向上均匀分布，但由弹性力学理论此假设的前提 条件是相邻加强箍间距要足够小，所以其方法的正确性有待进一步研究。 王俊山对加强箍的截面形状提出了自己的看法，他认为从弯曲的角度考虑， 根据材料力学截面惯性矩的理论，加强箍应设计成扁且宽状的结构，即轴向尺寸 应该大于径向尺寸j 。 张建伟、刘明武等利用有限元软件分析了加强箍对转鼓应力的影响，得出了 7 第一章文献综述 带加强箍的转鼓，加强箍与简体之间应有配合过盈量，没有过盈量的加强箍只能 在转鼓简体纵焊缝开裂时起保护作用的结论【l s 】。 对加强箍的分析大多学者或研究者都认为采用有限元方法进行分析是最为 有效和合理的【1 9 。2 4 1 。 针对加强箍问题，我国的j b t8 0 5 1 标准中给出了类似于b se n l 2 5 4 7 和 v d m a2 4 4 0 1 一i 的加强箍系数选取公式【2 5 1 ，见公式( 1 2 ) ，该方法相当于将所有 加强箍的横截面积折算成厚度加到整个转鼓高度上： z = 1 + n , a ( 6 h ) ( 1 - 2 ) 式中：h 一转鼓高度，m ； 一加强箍个数；其它符合含义与上文相同。 标准中加强箍系数的提出前提都是：鼓箍无预紧；鼓箍材料相同；基于线弹 性力学理论的假设。 纵观国内外对带加强箍离心机转鼓的应力计算与分析，以及加强箍与转鼓间 作用问题的研究，主要存在以下一些问题： ( 1 ) 一些研究者针对单个设备进行过具体的分析，只是囿于个体，没有进 行普遍化的推广分析，研究不够系统化； ( 2 ) 部分学者给出了采用加强箍与否的定性分析，缺乏对加强箍的结构和 分布的量化分析； ( 3 ) 对加强箍何时对转鼓起到保护作用以及起到什么保护作用的问题没有 一个统一的准确的认识； ( 4 ) 在各国标准中提出了加强箍系数选取公式，但是适用前提苛刻，并且 规定不一，至于是否符合实际情况还有待进一步讨论； ( 5 ) b se n l 2 5 4 7 和旧t8 0 5 1 已经提出在转鼓强度计算中建议采用有限元 方法，u 但并没有给出具体的评定方法。 1 4 接触问题的有限元分析 鉴于离心机转鼓结构上应力分布的复杂性、有限元方法的科学性与有效性、 计算机技术的便利性与普及性，又由于英国b s7 6 7 和旧t8 0 5 1 中已明确提出： “对于转鼓的应力分析，最适合的方法是有限元技术”【琨5 1 ，i s o6 1 7 8 也指出“可 采用有限单元法或边界元法进行计算，【6 1 ，加之众多学者都认为对离心机转鼓最 有效的分析方法是采用有限单元法，本文将利用有限元方法对带加强箍的离心机 转鼓进行应力分析。 过盈配合联接是利用零件间的配合过盈来达到联接的。因过盈联接结构简 第一章文献综述 单，在结合件之间往往不需要任何紧固件，结合的定心性好，承载能力高，因而 广泛应用于机械、仪表等行业中。最常见的方法有三种：冷压装配、温差装配、 液压装配。不管是采用哪种方法都涉及到接触问题【2 引。 过盈问题是接触问题的一种，属于边界条件高度非线性的复杂问题，其特点 是在接触问题中某些边界条件不是在计算开始就可以给出的，而是计算的结果， 两接触体间的接触面积和压力分布随着外载荷的变化而变化，同时还包括正确模 型接触面间的摩擦行为和可能存在的接触传热。摩擦接触问题的数学表述常常以 增量的形式出现【2 圳。 对于一般的接触问题，并不存在通用的求解方法。通常是借用塑性力学的概 念，利用罚参数建立法向和切向接触约束条件，利用虚功原理和有限元离散格式， 将问题表为数学规划模型，讨论了弹性摩擦接触问题 3 0 - 3 4 】。 在现有的接触问题计算软件中，经常使用的方法是增量迭代法。增量迭代法 的唯一困难在于寻求正确的滑动方向而进行的迭代过程的收敛性，虽然它的收敛 性在通常情况下是满足的( 例如无摩擦接触问题) ，但是最后的数值结果有时还 是受到离散的方式、摩擦系数值以及可能发生相对位移的接触区的大小的影响。 使用松驰因子几乎可以消除这些困难，但这意味着将增加迭代的次数从而需要花 费额外的计算时间，可以利用对称性和子结构法使待求方程组的数目有可观的减 少【2 8 】。 用有限元法解接触问题以往常采用的物理模型是节点对节点的模型，即将两 接触物体的接触面划分成相同的网格，组成一一对应的节点对，并假设两接触体 的接触力通过节点传递。这种模型需预先知道接触发生的确切部位，以便施加边 界单元，对于结构复杂问题，节点对节点将给机构离散和方程求解带来极大困难。 接触问题中产生接触的两物体须满足边界不穿透约束条件，在接触边界施加 不穿透约束的方法主要有拉格朗日乘子法、罚函数法和基于求解器的直接约束法， 前两种方法处理时都具有局限性，直接约束法处理接触问题是追踪物体的运动轨 迹。一旦探测出发生接触，便将接触所需的运动约束和节点力作为边界条件直接 施加在产生接触的节点上，对接触的描述精度高，具有普遍适应性。接触面上的 摩擦行为机理十分复杂，常用滑动库仑模型、剪切摩擦模型和粘滑摩擦模型等理 想模型来加以模拟【3 5 1 。 另外，对于接触问题，确定接触面是比较困难的，传统的分析方法大多采用 经验估计的方法，当然分析的结果具有不确定性【36 1 。随着大型有限元软件的出现 使得上述接触分析问题迎刃而解，它以强大的自动探测接触功能、庞大的接触模 拟单元体系、先进的算法选择以及强大的结果分析处理能力，使其成为解决接触 分析问题的最佳选择【3 。 9 第一章文献综述 1 5 本文的研究目的与内容 离心机转鼓的设计和制造必须考虑自身的安全性和经济性，两者不可偏颇。 转鼓强度不够，会引起人员伤亡和财产损失；但是，若过分强调安全性能，而忽 略经济性，势必会提高产品的成本，降低产品的竞争力。 鉴于目前在离心机转鼓应力计算标准中，对带加强箍的离心机转鼓应力计算 与分析尚不够全面与深入，标准中对于加强箍的作用，也只是给出一个修正系数 ( 加强箍系数) 。因此有必要采用有限元方法对带加强箍转鼓的应力进行系统地 计算分析，并与依据j b t8 0 5 1 中提出的计算方法得到的转鼓应力进行对比，探 讨加强箍系数选取的依据与原则。 本文研究的主要内容： ( 1 ) 采用有限元方法，分别就转鼓筒体与加强箍间是否有预紧量的情况分 别进行应力计算与分析； ( 2 ) 系统研究加强箍的截面形状、在转鼓上的分布对转鼓加强作用的影响； ( 3 ) 与目前对加强箍系数计算方法有具体规定的离心机转鼓强度计算标准 进行对比分析。 l o 第二章离心机转鼓应力分析 第二章离心机转鼓应力分析 2 1 离心机转鼓应力的理论分析 对于离心机转鼓应力的计算，各国标准所介绍的计算方法，基本上可以归纳 为两种类型：一是以原苏联为代表的东欧等国家为一体系，可称为“原苏联 类 型；另一是英、法、德等西欧国家为一体系，可称为“欧共体 类型。这两种类 型从理论上都是建立在弹性力学的基础上，并遵守弹性力学的各项基本假设，适 合于几何形状对称的圆柱形、圆锥形转鼓。对于转鼓壁的应力，均可认为是由鼓 壁自身质量和转鼓内物料质量、鼓内附件质量，在旋转时产生的离心力和离心压 力所引起的应力之和。只不过欧共体类型的计算方法在物料质量的离心压力所产 生的应力计算中，考虑到不同状态的物料；而原苏联类型的计算方法考虑到了转 鼓筒体与鼓底或鼓项连接处由于几何形状不同而造成的边缘效应现象 3 , 3 8 1 。 无论是何标准，对于转鼓应力强度的规定，都是在得到的应力基础上施以相 应的系数或因数而得到的。因此，归根到底对转鼓壁应力的研究是最根本的，这 也是本文的研究重点。 2 1 1 标准中转鼓环向应力的计算 因为本文主要讨论的是带加强箍的转鼓，所以转鼓应力的计算就主要依据对 加强箍系数z 提出明确计算公式的标准。这些标准有喝t8 0 5 l 、b se n l 2 5 4 7 和v d m a2 4 4 0 1 i 。由于本文主要考察不开孔的整体转鼓，转鼓中没有筛网等 附件，转鼓壁内的应力，是由转鼓壁金属的自身质量及转鼓内物料的质量在高速 回转时所产生的离心力而引起的应力之和，而此时j b t8 0 5 1 、b se n l 2 5 4 7 和 v d m a2 4 4 0 1 i 标准中的转鼓环向应力计算公式可由统一的形式表示，见式 ( 2 1 ) ，所区别的只是加强箍系数的定义。 驴詈咖小9 2 ( 孚) 虽( 2 - 1 ) 式中的k 取下文中的k l 、恐、恐的最小值。 2 1 2 各种系数的选取 ( 1 ) 焊缝系数 第二章离心机转鼓应力分析 未进行探伤实验，其焊缝系数规定为：局= 0 8 ；进行1 0 0 射线探伤或其它 等效方法进行检查的焊缝，其焊缝系数规定为：k l = 0 。9 5 。在本文的有限元分析 中，视转鼓简体与转鼓底以及拦液板为一整体，不考虑焊缝的影响，故取k l = l 。 ( 2 ) 开孔系数 本文只考察沉降式离心机转鼓的情况，所以转鼓无开孔，取k s = k 3 = l 。 ( 3 ) 鼓壁开孔引起的表观密度减小系数 同开孔系数的选取一样，本文取此系数q = l 。 ( 4 ) 加强箍系数 在所有的标准中关于加强箍系数z 的公式只有两类，一类是喝t8 0 5 l 标准 中的z = l + n a ( 6 h ) ；而另一类是b se n l 2 5 4 7 和v d m a2 4 4 0 1 i 标准中的 z = 1 + 彳( 6 c ) 。本文将按照两种方法分别计算。 2 2 离心机转鼓应力的有限元分析 本文在应用有限单元法对问题进行分析时主要考虑了如下四种情况： ( 1 ) 加强箍和转鼓间无预紧量，不考虑简体与拦液板之边缘效应； ( 2 ) 加强箍和转鼓间无预紧量，考虑筒体与拦液板之边缘效应； ( 3 ) 加强箍和转鼓间有预紧量，不考虑筒体与拦液板之边缘效应； ( 4 ) 加强箍和转鼓间有预紧量，考虑筒体与拦液板之边缘效应； 为了使本文的分析更加直观、便于表述，定义以下几个系数： ( 1 ) 鼓箍间无预紧量时简体的应力强化系数 厶= o e “0 ( 2 2 ) ( 2 ) 鼓箍间有预紧量时简体的应力强化系数 i p = 万多仃； ( 2 3 ) ( 3 ) 鼓箍间无预紧量时简体的薄膜应力强化系数 疋= o e ”o 2 ( 2 - 4 ) ( 4 ) 鼓箍间有预紧量时简体的薄膜应力强化系数 k p = 吖* 2 ( 2 5 ) 式中：吖一环向薄膜应力有限元解，p a ； 群一鼓箍无预紧量时鼓壁上的最大环向应力有限元解，p a ； 仃；一无加强箍时鼓壁上的最大环向应力有限元解，p a ； 吖一鼓箍有预紧量时鼓壁上的最大环向应力有限元解，p a ； 1 2 第二章离心机转鼓应力分析 2 2 1 参数化模型的建立 本文用目前应用最为普及的三足式离心机结构作为分析模型。其完整模型如 图2 - l 所示，其二维剖视图如图2 - 2 所示。研究过程中选用了五个计算模型，其 参数见表2 一l 。 文中的计算还涉及到不考虑筒体与鼓底及拦液板的边缘效应的情况，在此建 模过程中，把筒体高度建得足够大，不考虑拦液板和转鼓鼓底，代之以转鼓壁两 端的仝约束，并称这种模型为简化模型。 图2 - 1 带加强箍三足离心机完整模型三维图 f i g2 - 1g r a p h i c s o f w h o l e m o d e l o f s sc e n t r i f u g a l m o d e l w i t h l o o l 】s kc ， ， 、 一rll d 。? h c t 吧一 d b 。 一 r 一 图2 - 2 三足式离心机模型的二维剖视图 f i g2 - 2 s e c t i o n a lv i e wo f s sc e n t r i f u g a l m o d e l 第二章离心机转鼓应力分析 2 2 2 材料性质及单元类型的确定 离心机转鼓应力的计算，需要考虑鼓壁离心惯性力的作用以及加强箍和简体 间的接触问题，在此涉及到的材料性质有弹性模量、泊松比、密度以及摩擦系数 值。在本文的计算中，筒体和加强箍的材料选定为0 c r l8 n i 9 ，物料用h 2 0 代替。 0 c r l8 n i 9 室温下材料性质见表2 2 。 表2 2 t a b l e2 2 转鼓材料特性 m a t e r i a lp r o p e r t i e so fb o w l 实际上加强箍与筒体的连接属于接触问题，当加强箍和简体间没有预紧量 时，精确地分析应按照变形一致的接触问题分析，但这样会造成计算量剧增。故 在保证精度的前提下，筒体与加强箍的连接可采用粘结的方式，这一点的合理性 将在本文第三章做详细地分析。而当加强箍和筒体间有预紧量作用的时候，鼓箍 间的问题就必须按照接触问题处理。本课题研究的是无开孔的转鼓，此时的转鼓 结构和受载条件关于回转轴对称，故可以按照对轴对称问题考虑。 转鼓应力计算采用a n s y s l 0 0 软件，用到的单元类型有p l a n e 8 2 、 t a r g e l 6 9 和c o n t a l 7 2 。 p l a n e 8 2 单元有8 个节点，每个节点有2 个自由度，分别为x 和y 方向的 平移，既可用作平面单元，也可以用作轴对称单元。对于四边形和三角形混合网 格，它有较高的结果精度，可以适应不规则形状而较少损失精度。该单元具有一 致位移形状函数，能很好地适应曲线边界。并具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力 刚度、大变形以及大应变的能力。 t a r g e l6 9 和c o n t a l 7 2 是用来定义二维接触对的单元，以此来模型接触 和滑动。其中t a r g e l 6 9 定义目标面，c o n t a l 7 2 定义可变形表面。这两个单 1 4 第二章离心机转鼓应力分析 元可以用于二维的结构、热和耦合接触分析。它们各自覆盖与二维实体单元表面， 有中间节点。它们与它们连接的实体单元表面有相同的几何特征。当单元表面渗 透到指定的目标面上时，接触现象发生，库仑应力和摩擦剪应力是允许的。 2 2 3 网格划分合理性的评定 网格质量的好坏将影响有限元结果的准确性，本文采用对模型进行切割处理 而后进行映射和自由混合网格划分的方法，以此来提高网格划分的质量。其中重 点研究区域的筒体和加强箍采用大密度的映射网格划分，而转鼓鼓底则采用密度 较小的混合网格划分。图2 3 给出了在四个网格密度水平下计算结果的变化情况， 其中每一密度水平是在前一水平的基础上增加一倍，可见在这四个水平之下，转 鼓的最大环向应力变化不大。但考虑到转鼓壁上操作路径的建立以及为了对鼓壁 进行控制需要把鼓壁划分成多层，可确定水平3 时结果是比较可靠的，此时单元 的尺寸为2 m m 。故随后的网格划分将在此水平之下建立。 8 5 8 4 垒8 3 瘩 。8 2 o 8 1 8 0 23 网格密度水平 图2 3 简体最大环向应力随网格密度水平的变化 f i g 2 - 3m a x i m a lh o o ps t r e s so f b o w lv s 1 e v e lo f m e s h i n gd e n s i t y 2 2 4 边界条件和载荷的施加 在确定了模型之后需要解决的就是模型的边界条件和载荷的施加问题。针对 完整模型和简化模型是应该区别对待的，区别之处在简化模型在筒体的上下边界 处施加全约束，而完整模型是在鼓底和拦液板处施加随坐标变化的物料离心压 力，细节见图2 4 。 第二章离心机转鼓应力分析 2 2 5 接触情况 吊 枞型_ ：j j j 丰| _ j 豳 图2 4 模型的边界条件和载荷 f i g2 4b o m l d a r yc o n d i t i o n sa n d i o a d s 帆m t x l e l s 当加强箍与转鼓筒体有预紧量时，鼓箍间的力学行为是接触，接触分析中涉 及到接触状态、接触渗透及接触压力等数据，其沿接触面的分布情况见罔2 - 5 - - 图2 7 。 - 、 二二二二 im 图2 - 5 鼓箍司的接触状态 f i g2 - 5c o n t a c t 咖m s e s b e t w e e n b o w la n d l o o p s 1 6 第二章离心机转鼓应力分析 宦= 霍；| 图2 - 6 鼓箍接触面司的渗透分布 f i g2 - 6d i s t d b u t i o n o f p e n e 口a t i o nb c t w e e nc o m a c f a c e s 图2 - 7 鼓箍接触面问的压力分柿 f i g2 - 7d i s t r i b u t i o n o f p r c s s mb c t w c mc o n i c f a c e s 2 2 6 结果的分析与处理 应力等值线图表现了应力的变化，用不同的颜色表示出结果的大小，相同数 值的区域具有相同的颜色。因此通过等值线图，可以十分直观地得到转鼓模型中 环向麻力的分布情况。图2 - 8 是完整模型i i 的环向应力等值线图。 第二章离心机转鼓应力分析 图2 - 8 完整模型的环向应力等值线图 h g2 - 8c o n t o u r g r a p h o f h o o ps t t 嚣$ i n w h o l e m o d e l1 1 由于本文的研究重点是转鼓筒体上的环向应力因此对于有限元计算结果需 要进行后处理。有限元软件的后处理器的一个最有用、功能最强的特征是能够虚 拟映射任何结果数据到过模型的任意路径e 。这样一来就可沿该路径执行许多数 学运算和微积分运算，从而得到有意义的计算结果。使用了这个功能在筒体中径 处建立路径，如图2 - 9 中所示的虚线，将完整模型i i 的环向应力结果映射到这条 路径上，得到转鼓简体上环向应力的分布情况，如图2 一l o 所示。 f 哪 j 一 幽2 - 9 转鼓简体路释 n g2 - 9 d e f i n i t i o no f t h cp a t h i n b o w l 第二章离心机转鼓应力分析 曼 ： - 旨 三 吾 l i j t l t 一 7 0 “ t t ，u 0 t s 土 土 t t 0 t t 工 霉髓t ， t t ，】 工t f t t0 量 m m “- 岫，- 图2 1 0 模型i i 鼓壁环向应力沿路径的分布 f i g 2 - 1 0d i s t r i b u t i o no f h o o ps t r e s so i lp a t hi nb o w lo f m o d e l 由于转鼓的应力计算是在弹性范围内，所以提取计算结果时只提取路径上的 最大应力值作为最终考察结果。五个模型的薄膜应力及无加强箍作用时的有限元 应力结果见表2 3 。 表2 3五个转鼓结构的环向应力有限元计算结果 t a b l e2 - 3f e ar e s u l t so fh o o ps t r e s si nf i v ew h o l em o d e l s 仃o ( m p a ) 目n i a 模型编号 完整模型g ；( m p a ) 简化模型 鼓底侧简体拦液板侧简体 i v 8 6 4 2 9 2 3 0 8 8 6 1 6 9 9 7 6 7 8 4 8 5 6 1 9 1 6 0 8 7 8 5 6 9 3 3 6 7 2 5 8 6 5 2 9 2 4 2 8 8 7 3 7 0 0 9 6 7 9 5 8 3 5 9 8 9 0 4 8 5 4 7 6 7 4 9 6 5 4 3 1 9 第三章鼓箍问无预紧毒时的模拟结果与分析 第三章鼓箍间无预紧量时的模拟结果与分析 本章主要研究当加强箍与转鼓简体间没有预紧量时，加强箍对简体应力的影 响。图3 - l 是在三个横截面高度和厚度皆为2 倍筒体壁厚的加强箍作用下简体 的环向应力等值线图。此时，将简体壁上的环向应力结构映射在路径上，其映射 结果如图3 - 2 所示。 _ 姗“ 圈3 - i 无预紧量时环向应力的等值线圈 f i g3 - 1c o n t o u r e dg r a p ho f h ”pg ”c s s i n t e n s l o n e dc o n d i l i o n 一一t n 图3 - 2 无预紧量时环向应力沿路径的分布 f 3 - 2 d i s t r i b u t i o n o f h o o p $ 1 r c s s o n p a t h i n n o n p r e t e n s i o n e dc d i t i o n 2 0 第三章鼓箍间无预紧量时的模拟结果与分析 3 1 加强箍的强化作用 在转鼓结构中设置加强箍的目的就是为了使得加强箍起到保护筒体的作用， 本节在加强箍与筒体间无预紧量的条件下，研究加强箍对转鼓筒体的加强作用。 定义加强箍的轴向高度为a 、径向厚度为e 、箍横截面积为a 以及箍间距为c ， 如图2 2 所示。为了使研究更具有普遍性，也为了表述方便，本文研究过程中定 义a 、e 、a 、c 的系数分别为a 、p 、s 、妒。它们的关系为： a = a 6 ；e = 膨；a = 茚2 ；c = # 4 r o a ( 3 - 1 4 ) 式中：一转鼓平均半径，m ； 6 一转鼓壁厚，m 。 因为这里是定性考察加强箍的作用，所以采用五种完整模型中的哪一种都不 失分析的一般性，本节采用完整模型i i ，参数见表3 - 1 。对于加强箍间距c ，根 据圆筒边缘效应影响区域c 2 5r 4 r o a o a 进行拟定，这里初选为西= 2 。 表3 1 t a b l e3 1 加强箍模型的结构参数 s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f l o o p sm o d e l 无预紧量时简体与加强箍最大环向应力计算结果见图3 3 ，加强箍单独旋转 时的最大环向应力计算结果见图3 4 。图中a 簇曲线代表有加强箍时转鼓筒体最 大环向应力曲线；b 簇曲线代表筒体上加强箍的最大环向应力曲线；c 簇曲代表 加强箍单独旋转时的最大环向应力曲线。 图3 3 中可以看出，加强箍截面相同条件下，虚线值大于实线值，表明加强 箍上的最大应力大于简体上的最大应力。图3 4 中，最大环向应力值均小于 4 0 m p a ，明显低于图3 3 中所示的加强箍上的最大环向应力。可见，加强箍对筒 体起到作用的同时，自身的最大应力大于单独旋转时的最大应力，但总是小于对 应筒体的最大应力。也就是说，对于与转鼓材料相同的加强箍，加强筒体时，自 身的材料并没有得到充分的利用。所以，在无预紧量情况下，加强箍完全可以选 择强度低于筒体的材料。 2 i 第三章鼓箍间无预紧量时的模拟结果与分析 9 0 8 5 8 0 垒7 5 看7 0 d 6 5 6 0 5 5 应力b ：加强箍应： b1 _ bl b1 5 卜b1 5 b2 ob2 82 5 卜1 32 5 b3 一b3 b3 5 一b3 5 b4 一b4 b4 5 一b4 5 b5 一且5 图3 3 无预紧量时简体与加强箍的最大环向应力 f i g 3 - 3m a x i m a lh o o ps t r e s so fb o w la n dl o o p si nn o n p r e t e n s i o n e dc o n d i t i o n 3 5 圭 警3 4 目 。 。 3 3 独旋转 加强箍 b1 1 31 5 1 52 1 32 5 1 33 1 53 5 1 54 b4 5 1 55 图3 4 不同截面形状下加强箍的最大环向应力图 f i g 3 - 4m a x i m a lh o o ps t r e s so fl o o p si nd i f f e r e n ts e c t i o n a ls h a p e s 上述计算的模型中，鼓箍之间是按整体考虑的。为了验证模型的合理性，对 鼓箍连接按照接触问题进行接触分析，并与整体方式模拟的结果进行对比，结果 如图3 5 所示。由图可见，按照接触问题进行处理的结果小于按照整体方式处理 得到的结果。当口= 卢= 1 时两者差别最大，为4 0 4 ；当a = 卢= 5 是两者差别 最小，相差1 0 3 。可见，筒体与加强箍的连接采用整体的方式是可行。 第三章鼓箍间无预紧量时的模拟结果与分析 9 0 8 5 8 0 乱 皇 7 5 i 。 o7 0 6 5 6 0 图3 5 不同鼓箍连接方式下的简体最大环向应力 f i g 3 - 5m a x i m a lh o o ps t r e s si nd i f f e r e n tc o n n e c t e ds t y l e 3 2 箍结构参数对简体应力影响的研究 接触方式 _ b1 _ 卜1 31 5 一1 32 _ 1 r _ 一1 32 5 卜1 33 一1 33 5 一1 34 _ 卜_ 1 3 4 5 - pb s 加强箍的结构参数是指加强箍的截面参数，即：轴向高度a 和径向厚度e ， 它们对应的系数分别是a 和p 。 3 2 1 结构参数的定性分析 首先定性地分析箍结构对转鼓筒体应力的影响。本节的