（流体机械及工程专业论文）dtii型带式输送机机械传动结构强度分析与研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nf l u i dm e c h a n i c sa n de n g i n e e r i n g | j i i | i i f m i f f i f ! i f i j | f j y 18 4 2 8 6 4 s t u d ya n di n t e n s i o na n a l y s i so nt h em e c h a n i c a ld r i v e n s t r u c t u r e so ft h ed t i ib e l tc o n v e y o r b yz h o uw e n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gb i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是住导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 k - 、 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：) 司文 e t期：2 加8 肄2 闩1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学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、交 流。 学位论文作者签名： 日 期： 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 1 - 一 东北大学硕士学位论文摘要 d tl l 型带式输送机机械传动结构强度分析与研究 摘要 带式输送机是最重要的现代散状物料输送设备。d t i i 型带式输送机是目前 使用最广泛的一种带式输送机。其中，机械传动结构是设备中最重要的部件，它 包括滚筒和滚筒支撑架，在实际使用中，它也是整个带式输送机最容易发生破坏 的部件。依靠传统的设计计算方法，已经不能满足现代条件下对滚筒和滚筒支撑 架的可靠性和经济性的要求，因而需要采用现代设计方法进行分析研究和设计计 算。 首先对现有d t i i 型带式输送机的机械传动结构的计算方法进行了全面的考 察，阐明了将有限元技术应用于机械传动结构的计算和分析的必要性。 其次，在本文的工作初期，较系统地学习了有限元分析的基础知识和材料力 学的四大经典强度理论。 随后，针对d t i i 型带式输送机的滚筒和滚筒支撑架，进行p r o e 三维模型 的建立和有限元分析，其中，特别针对改向滚筒进行了智能参数化几何模型构造 工作，实现了模型的主要几何尺寸的参数化构造。 最后，对滚筒和滚筒支撑架模型进行合理的单元划分，用a n s y s 软件进行 了系列工程分析，得到了滚筒和滚筒支撑架的强度和刚度的数值解。通过考核表 明：分析结果与实际情况相符。 综上所述，本文同时应用了有限元分析软件a n s y s 、三维建模软件p r o e 和智能参数化平台软件，优化结合，对我国现有的d t i i 型带式输送机的滚筒和 滚筒支撑架进行了参数化的三维建模、有限元法的机械强度分析，同时实现了针 对改向滚筒的参数化的建模和工程分析的计算程序化。 关键词：带式输送机，滚筒，滚筒支撑架，有限元，工程分析，参数化 ， 一 屯 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d ya n di n t e n s i o na n a l y s i so nt h em e c h a n i c a ld r i v e ns t r u c t u r e s o ft h ed t i ib e l tc o n v e y o r a bs t r a c t t h eb e l tc o n v e y o ri st h em o s ti m p o r t a n tt r a n s l a t i o ne q u i p m e n tw h i c hc a nc a r r y c a t e g o r i e so fm a t e r i a l s t h ed t i ib e l tc o n v e y o ri sc u r r e n t l yu s e dm o s te x t e n s i v e i n i t ，t h em e c h a n i c a ld r i v e ns t r u c t u r ei st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nt h ee q u i p m e n t s ，i t i n c l u d e sp u l l e ya n dp u l l e ys u p p o r t ，i na c t u a l l y , i ti sa l s ot h ed e s t r u c t i v ep a r t sm o s t e a s i l y d e p e n do nat r a d i t i o n a ld e s i g nc a l c u l a t i o n ，h a v ea l r e a d yc a n ts a t i s f i e dt h e m o d e r nc o n d i t i o no ft h e c r e d i b i l i t ya n dt h ee c o n o m yr e q u e s t ，a sar e s u l tn e e dt o a d o p tam o d e r nd e s i g n sm e t h o dt oc a r r yo na n a l y t i cs t u d ya n dd e s i g nc a l c u l a t i o n f i r s t l y ，i nt h ep r o c e s so fs t u d y , t h ec o m p u t i n gm e t h o da b o u tt h ed t i ib e l t c o n v e y o rw a si n v e s t i g a t e dw i d e l ya n di tw a sc l a r i f i e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no ff e ai s e s s e n t i a lo nt h ec a l c u l a t i o na n ds t u d yo ft h em e c h a n i c a ld r i v e ns t r u c t u r e s e c o n d l y ，i nt h e i n i t i a l s t a g e s o ft h es t u d y , a u t h o rs t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y f o u n d a t i o nk n o w l e d g e so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h ef o u rc l a s s i c i a ls t r e n g t h t h e o r i e so fm a t e r i a lm e c h a n i c s l a t e r ，f o rp u l l e ya n dp u l l e ys u p p o r t ，a u t h o rc r e a t e d3 dm o d e lw i t hp r o ea n d a n a l y s e dw i t ha n s y s a l s o ，a u t h o rc a r r i e dt h r o u g ham o d e ls t r u c t u r ew o r kt ot h e d r i v e np u l l e ye s p e c i a l l y i ti sc a r r i e do u tt h a tm a i ng e o m e t r i c a ld i m e n s i o n so fm o d e l w e r ep a r a m e t r i cs t r u c t u r e d f i n a l l y , a u t h o ra d o p t e dr e a s o n a b l eg i r dd e m a r c a t i o na n dc a r r i e do ns e r i e s e n g i n e e r i n ga n a l y s i sw i t ha n s y s ，g e t t i n gi n t e n s i o nn u m e r i c a lv a l u e sa n dr i g i d n u m e r i c a lv a l u e so fp u l l e ya n dp u l l e ys u p p o r t f o rag r e a td e a lo fi n v e s t i g a t i o n ， a n a l y s i sr e s u l t sa g r e e dw i t ha c t u a lc i r c u m s t a n c e i naw o r d ，a n s y s ，p r o ea n di n t e l l i g e n tp a r a m e t e rs o f t w a r ew e r ea l lu s e di n t h i s a r t i c l e i n t e g r a t i n ga d v a n t a g e s o ft h i st h r e es o f t w a r e ，a u t h o rc r e a t e dt h e p a r a m e t r i c3 dm o d e lo fp u l l e ya n dp u l l e ys u p p o r ta n da n a l y s e dm e c h a n i c a li n t e n s i o n w i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d s ，a l s oa i m i n gt ot h ed r i v e np u l l e y ，a u t h o rc a r r i e do u t3 d p a r a m e t r i cm o d e l i n ga n dp r o g r a m m e da n a l y s i s k e yw o r d s ：b e l tc o n v e y o r ，p u l l e y ，p u l l e ys u p p o r t ，f i n i t ee l e m e n t ，e n g i n e e r i n g a n a l y s i s ，p a r a m e t r i c 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录i v 第一章绪论1 1 - ld t i i 型带式输送机的概述1 1 1 1 带式输送机的介绍1 1 1 2 我国现行d t i i 型带式输送机的系列型号1 1 1 3d t i i 型带式输送机的基本应用范围2 1 1 4d t i i 型带式输送机的国内外发展状况2 1 2 选题背景3 1 3d t ii 带式输送机组成结构部件概况4 1 3 1d t i i 带式输送机的总体结构图4 1 3 2d t ii 带式输送机的传动结构部件4 1 4 选题的目的和意义5 1 5 本课题研究的主要内容6 第二章有限元分析基础7 2 1 有限元方法的发展概况7 2 2 接触问题的有限元法7 2 2 1 接触的判别条件8 2 2 2 接触问题的有限元求锯过程9 2 2 3a n s y s 中的接触分析9 2 3 有限元单元的特点分析和选用1 0 2 3 1s o lid 4 5 ( 实体单元) 1 0 2 3 2s u r f l 5 4 ( 表面效应单元) 1 0 2 3 3m a s s 2 l ( 质量单元) 1 1 2 3 4t a r g e l t o ( 三维目标面单元) 1 l 2 3 5c o n t a l7 4 ( 三维接触单元) 1 3 2 4 本章小结13 第三章强度理论与失效判定准则1 5 3 1 强度理论的概念l5 i v 东北大学硕士学位论文目录 3 2 四种常用强度理论1 6 3 2 1 最大拉应力理论( 第一强度理论) 1 6 3 2 2 最大伸长线应变理论( 第二强度理论) 1 7 3 2 3 最大剪应力理论( 第三强度理论) 17 3 2 4 形状改变比能理论( 第四强度理论) 1 8 3 3 本章小结j 2 0 第四章传动结构强度参数化的有限元分析2 l 4 1 参数化的含义和实施步骤2 l 4 1 1 参数化的含义2 l 4 1 2 参数化设计的步骤2 2 4 2 滚筒的参数化有限元分析2 5 4 2 1 滚筒的分类2 5 4 2 2 滚筒的工作原理及受力分析2 6 4 2 3 滚筒几何结构简化2 8 4 2 4 改向滚筒的参数化有限元分析2 9 4 2 5 传动滚筒的有限元分析4 4 4 3 滚筒支撑架的有限元分析5 8 4 3 1 滚筒支撑架的受力分析5 8 4 3 2 滚筒支撑架的结构5 9 4 3 3 载荷和约束的模拟6 2 4 3 4 计算结果分析6 3 4 3 5 支撑架的分析结论6 4 4 4 本章小结6 4 第五章a n s y s 有限元软件的二次开发6 7 5 1a p d l 二次开发语言简介6 7 5 2 二次开发6 7 5 2 1p r o e 与a n s y s 的连接6 7 5 2 2 编写a n s y s 宏文件6 8 5 2 3 制作宏文件的执行按钮6 9 5 3 本章小结7 0 第六章结论7 1 参考文献7 3 致谢7 7 v 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 d t | i 型带式输送机的概述 1 1 1 带式输送机的介绍 带式输送机是一种输送松散物料的主要设备，因其具有输送能力大、结构简 单、投资费用相对较低及维护方便等特点而被广泛应用于港口、码头、冶金、热 电厂、焦化厂、露天矿和煤矿井下的物料输送。在过去的2 0 年里，随着全球经 济的增长，能力和速度不断提高的现代计算机的应用，煤炭工业科学技术的不断 进步与发展，在世界范围内带式输送机得到了重大的发展，带式输送机技术已经 成为当代科学技术发展的前沿之一。当今的全球经济，需要设计和生产“环保 型输送机，不能污染周围的环境，并且还要节约能量。输送机技术进步的一个重 要特点是基础研究发展为应用技术，进而实现商业化。我国的带式输送机设计研 究技术及带式输送机专业制造技术都已接近了国际水平，但与世界先进工业国家 比较仍存在一定差距，有待于进一步努力。 ， ，、 1 1 2 我国现行d ti i 型带式输送机的系列型号 表1 1d t i i 型带式输送机的技术参数表 t a b l e1 1at e c h n i c a lp a r a m e t e rl i s to ft h ed t i ib e l tc o n v e y o r 、 、心， o 81 o1 萏1 62 o2 s3 1 5t4 55 o5 66 5 5 0 06 98 71 1 3 91 7 42 1 7 6 5 01 2 71 5 91 9 82 5 43 1 8 3 9 7 8 0 01 2 4 53 1 03 9 74 9 66 2 0t 8 l 1 0 0 03 2 44 0 55 0 t6 4 98 l l1 0 1 41 2 t 81 6 2 2 1 2 0 05 9 3 r 4 29 5 1 1 1 1 4 8 61 8 t 2 2 3 t 7 2 6 r 42 9 t l 1 4 0 08 2 51 0 3 21 3 2 11 6 5 22 0 6 52 6 0 23 3 0 43 7 1 84 1 3 0 1 6 0 02 l 2 7 8 33 4 4 44 3 7 34 9 2 05 4 6 1 2 2 1 8 0 02 7 9 53 4 9 44 4 0 35 5 9 l6 2 9 l6 9 8 97 8 2 99 0 8 3 2 0 3 4 7 04 3 3 85 4 6 66 9 4 lt 8 0 88 6 t 69 7 l t1 1 2 7 t 2 2 6 8 4 38 6 9 09 7 7 61 0 8 6 31 2 1 6 61 4 1 2 0 2 4 8 2 8 91 0 5 2 61 1 8 4 21 3 1 5 e 1 4 开3 t l t l 0 4 注，l 、b 代表带宽，单位朋脚iq 代表输送能力，单位脚3 hiv 代表带遍，单位脚，宣 2 、输送能力q 值按水平运输，动堆积角目为2 0 ，托辊槽五为3 0 时计算的 3 、帝速( 4 5 ) 、( 5 6 ) 脚，s 为非标准值，一般不推荐使用 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 我国机械工业部在九四年将原“t d 7 5 型”( 通用型) 和“d x 型”( 高强度型) 两大系列统一更新为“d t i i 型通用固定式带式输送机，型号统称为d t i i 型。 d t i i 型通用固定式带式输送机以其带宽( b ) 、传动滚筒直径( d ) 和传动滚筒 许用扭矩( 序号) 作为产品代号，即为：d t i i b d x 。 其中：d t i i 部分，d 表示带式输送机、t 表示通用型、i i 表示系列号； b ：表示输送机的带宽，单位为c m ； d ：表示传动滚筒直径( 不包括胶层厚度) ，单位为c m ； x ：传动滚筒扭矩序号( 1 ，2 ，) ，只有一种扭矩时，可以空缺。 由于d t i i 型带式输送机的带宽不一样，其输送能力也不一样，因此，输送 能力也是带式输送机型号选择的一个重要参数，表1 1 是d t i i 型带式输送机所 有带宽范围段的输送能力表1 1 1 。 1 1 3d t | i 型带式输送机的基本应用范围 ( 1 ) d t i i 型带式输送机是通用型系列产品，可广泛用于电力、冶金、矿山、 煤炭、建材、港口、化工、轻工、石油和交通运输等各个行业。由单机或多机组 合成运输系统来运输物料，可输送松散密度为5 0 0 2 5 0 0 k g m 3 的各种散状物料和 成件物品。 ( 2 ) d t i i 型带式输送机适用的工作环境温度一般为一2 5 。c 4 0 0 c 。对于在特 殊环境中工作的带式输送机，如要求具有耐热、耐寒、防水、防腐、防爆、防燃 等条件，应另行采取相应的防护措施。 ( 3 ) d t i i 型带式输送机均按部件系列进行设计。设计者可根据输送工艺要求， 按不同的地形、工况进行选型设计并组合成整台输送机。 ( 4 ) 输送机允许输送的物料粒度取决于带宽、带速、槽角和倾斜角，也取决 于大块物料出现的频率。带宽超过1 2 0 0 m m 后，粒度一般应限制在3 5 0 r a m 范围内， 不能带宽的增加而加大。 ( 5 ) 本系列的带宽范围为5 0 0 2 4 0 0 m m ，其中常用值为5 0 0 1 4 0 0 r a m ，带速范 围为0 8 6 5 r a m s ，其中常用值为0 8 5 0 r a m s 。并且各系列带宽和带速有一定 的匹配关系。 由此可见，d t i i 型带式输送机的应用范围是相当广泛的，也是相对规范化、 系列化和标准化的。 1 1 4d ti i 型带式输送机的国内外发展状况 文献 2 3 4 5 中大量介绍了d t i i 型带式输送机的现状，随着我国矿山机 械的发展，特别是采掘设备生产能力的大幅度提高，带式输送机朝着长距离、大 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 运量、大功率、高倾角、高速度方向发展。但我国现有的带式输送机技术难以完 全满足现行生产的需要，因此，近阶段矿用带式输送机的主攻领域和研究方向有 以下几个方面：新型启动技术、新型制动技术、输送机自动张紧技术、顺槽可伸 缩带式输送机机尾快速自移技术、上下运大倾角输送技术、运人技术和可伸缩下 运带式输送机机尾移动技术。 ( 1 ) 目前我国带式输送机最长距离为8 9 8 4 k m ，与国外相比仍有一定的差距， 国外最大运距高达1 5 k m 。尽管我国已拥有先进的软起动技术及多机功率平衡技 术、中间驱动技术，而且掌握的技术完全可满足煤矿长距离带式输送机的需要， 但由于国内输送带技术跟不上国外先进国家，胶带的张力受到限制，无法满足高 张度带式输送机发展的需要。因此，输送机驱动系统必须尽量减少对输送机各部 件的动负荷，控制对输送带的动张力，防止输送带在滚筒上的打滑，减小张紧行 程。因此，输送机的起制动要求更高，据有关资料介绍，上运输送机最佳的起动 特性曲线应为“s 一形，有必要进一步研制新型启动技术和自动张紧技术。 ( 2 ) 9 0 年代初期，我国研制成功大倾角上下运带式输送机设备，其输送倾角 为t 2a 2 5 。，采用普通光面输送带配上深槽型托辊装置和可编程控制器来实现大 倾角输送。矿山机械急需大倾角带式输送机来满足输送需要，国钋已有花纹带式 输送机、压带式输送机、裙边式带式输送机、兜式带式输送机等来实现大倾角输 送。针对这一关键技术，应该研制输送倾角口一2 6 0 一2 8 0 的大倾角带式输送机和 输送倾角为a 乏2 9 0 一3 2 0 的花纹带式输送机，以口 3 2 0 一9 0 0 的裙边式垂直提升带 式输送机，从而满足矿山各种输送倾角的需要。 ( 3 ) 目前，国外越来越多的矿山行业，使用一台带式输送机既可运矿石又可 载人。我国国内正处于探索和起步阶段，而随着长距离带式输送机技术的不断发 展，矿山机械越来越需要解决带式输送机的多种用途技术，便于运料和检修。因 此，运人技术的研究成为当前急需解决的问题之一。 ( 4 ) 另外，提高输送机托辊的使用寿命，改进密封、润滑脂的性能、延长轴 承工作期限；提高输送机零部件的可靠性、安全性；优化带式输送机的结构强度 等等，也将有许多难题要解决。 1 2 选题背景 沈阳矿山集团山普通用机械制造有限公司，要求对其现行生产的d t i i 型带式 输送机的机械传动结构部件进行分析研究，并要求完成力学强度的有限元分析， 同时还要求对其结构尺寸的设计能够实现参数化。 因此，本课题主要是d t i i 带式输送机机械传动结构部件进行分析研究，并对 主要功能构件进行力学数值分析。目的在于，通过本课题的研究，为输送机机械 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 传动结构部件进行优化设计和可靠性分析打下基础。对其进行深入、准确全面的 研究的前提是：对d t i i 型带式输送机从整体上进行较全面了解，并掌握与本课题 内容相关的专业知识。 1 3d ti i 带式输送机组成结构部件概况 1 3 1d ti i 带式输送机的总体结构图 图1 1d t i i 带式输送机总体结构 卜滚筒支撑架；2 一传动滚筒；3 一输送带；4 一改向滚筒 fig 1 1g e n e r a ls t r u c t u r eo ft h ed t i ib e l tc o n v e y o r 1 - p u l l e ys u p p o r t ：2 - d r i v i n gp u l l e y ：3 - b e l t ；4 - d r i v e np u l l e y 1 3 2d ti l 带式输送机的传动结构部件 d t i i 型带式输送机是以输送带兼作牵引机构和承载机构的连续输送机械。 整个输送带支撑在滚筒支撑架上，绕过传动滚筒和改向滚筒，而传动滚筒和改向 滚筒都放置在滚筒支撑架上，依靠滚筒与输送带之间的摩擦力完成驱动【6 l 。 ( 1 ) 滚筒 滚筒是两类，分别是传动滚筒和改向滚筒。传动滚筒是动力传递的主要部件， 输送带借其与滚筒之间的摩擦力而运行；改向滚筒，用于改变输送带的运行方向 和增加输送带与传动滚筒之间的围包角。 ( 2 ) 滚筒支撑架 带式输送机的滚筒支撑架包括头架和尾架两大类。滚筒支撑架是带式输送机 的主要骨架，承受整个输送机大部分的重量，并且传动滚筒和改向滚筒都放置在 滚筒支撑架上。 通过以上的介绍，对d t i i 输送机有了一定的了解。本课题主要是对带式输 送机机械传动结构的力学分析，不考虑输送带、托辊、驱动装置、拉紧装置、保 护装置、溜槽、导料板和头罩，只针对滚筒和滚筒支撑架，这两个机械传动结构 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 部件做力学分析和优化研究。 1 4 选题的目的和意义 目前d t i i 型带式输送机发展的基本趋势是：继续提高设备结构的安全性、 促进设备结构的紧凑性，加强生产制造的标准系列化和专业化。 带式输送机的机械传动结构件的强度对输送机的使用寿命和正常运行有着 严重影响。各部件的破坏往往造成停产检修，使企业遭受巨额的经济损失，因此 详细的强度分析在设计工作中向来被研究人员所重视。 目前国内的设计往往采用许用应力法、经验公式法和类比法，这样的设计方 法，无法全面和精确地分析零件问的关系。在缺乏合适的设计方法时，往往使用 很高的安全系数来保证结构的安全、可靠，结果造成结构尺寸增大和重量加大， 增加了不必要的制造成本，浪费不少的人力和物力，而且往往不能解决实质问题， 这样生产出的产品和工程实际需要的产品有很大差异。同时当尺寸变化后，大部 分设计的过程都需要重新计算和校核，无形中造成时间的浪费。 而本课题采用的方法是基于数值计算方法原理的有限元方法。数值计算方法 是一种研究并解决数学问题的数值近似解方法，是在计算机上使用的求解数学问 题的方法，简称计算方法。计算方法既有数学科学中的理论上的抽象性和严谨性， 又有实用性和实验性的技术特征，是一种理论性和实践性都很强的方法，弥补了 上述其他方法的缺陷。国外从2 0 世纪6 0 年代就开始利用数值方法对输送机机械 传动结构进行设计计算和强度分析。其中，h l a n g e 【7 】对滚筒进行了大量理论研 究，应用的数学方法是基于莱布尼兹无限小的计算方法，基本思路是研究无限小 的部分，把被计算的构件表述为数学模型，利用平衡微分方程及几何相容微分方 程表述，其解绘出总的变形场，但只能对简单的技术问题得到封闭解，而对于滚 筒这个多构件的系统，把它分解成或多或少的理想化的构件组，对每一个构件组 分别求解，这样，不得不损害给定的边界条件，并使用种种未知的但认为可靠的 假设，这些解是近似的，它只描述了孤立构件的状况。到7 0 年代，德国的 w s c h m o l t z i 8 j 和我国的于忠升【9 j 等人在滚筒的研究中使用了有限元法，得到了辐 板、筒壳在整体分析下的应力分布与变形规律，虽然计算结果的准确性受到当时 计算机发展水平等因素的限制，但这种研究思路为滚筒设计工作指明了一条切实 可行的途径。到了9 0 年代，有限元技术开始在我国推广应用，被认识到有广阔 的发展前景。目前大多数研究人员对工程问题的研究均采用有限元法，被证实有 一定的精确性和准确性。如文献 1 0 介绍了用有限元法对强力滚筒应力、应变的 计算，得到了滚筒构件的等值应力曲线，并通过滚筒试验台测试，表明有限元法 计算是j f 确、可靠的；文献 1 1 采用c o s m o s 2 0 有限元分析系统，对传动滚筒 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 进行整体建模做有限元分析，用以验证该计算滚筒结构设计的合理性。目前有限 元法在国内工程界己经受到普遍重视，并得到了很好的推广。 本课题运用通用有限元软件a n s y s ，结合三维建模软件p r o e ，进行参数化 的有限元分析。有限元技术能够克服传统设计方法的诸多弊端，是一种更科学、 有效的设计方法。为设计出重量轻、强度高、实际运行安全可靠的结构，将有限 元技术应用于机械传动结构的计算、分析中，能够为带式输送机机械传动结构的 改进设计提供科学依据，避免带式输送机机械传动结构在结构尺寸设计过程中的 盲目性，这对提高带式输送机整体设计水平有重要意义。同时运用p r o e 三维建 模软件实现参数化建模，减轻了工作强度，缩短了设计周期，为机械传动结构的 合理设计提供了仿真平台，具有一定的实用价值。 1 5 本课题研究的主要内容 基于上述理由，本课题将适当选择运用现有的计算机软件，如三维建模软件 p r o e 、通用有限元分析软件a n s y s 和沈阳中新科技开发有限公司研发的智能参 数化平台软件等，结合实际工程问题对d t i i 带式输送机中机械传动结构部件进 行如下研究： ( 1 ) 用p r o e 对已设计完的输送机机械传动机构各部件进行直观的三维建 模，利用智能参数化平台功能对所建的三维进行修改，使其成为系列化的模型； ( 2 ) 将模型导入a n s y s 中进行分析，通过改变尺寸参数和载荷参数，找出 改变的参数对机械传动结构部件的应力的影响，并且将通过a n s y s 分析得到的 分析结果与理论的数值进行比较和分析，找寻规律，从而确定机械传动结构的合 理方案、判定机械传动结构设计是否符合整体可靠性设计要求，同时通过对结果 的分析，在设计的允许的范围内，对机械传动结构提出结构优化和改进的方案； ，( 3 ) 最后针对实际的工程问题，利用得到结果，对同类问题进行统一的综合 研究，实现优化设计与改进，从而提高机械传动结构的整体性能。 6 东北大学硕士学位论文 第二章有限元分析基础 第二章有限元分析基础 2 1 有限元方法的发展概况 有限元法是上世纪5 0 年代随着电子计算机的发展而发展起来的一种求解数 理方程的数值计算方法，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。它是 将弹性理论、计算数学和计算机软件有机结合在一起的一种数值分析技术，由于 这一方法的灵活、快速和有效性，使其迅速发展成为求解各领域数理方程的一种 通用的近似计算方法【1 2 l 。 有限元法的基本原理是以结构力学中的位移法为基础，将要分析的连续体看 成有限个单元的组合体，各单元仅在节点处相连。先对单元特性进行分析，然后 根据各单元在节点处的平衡和协调条件，建立节点位移和节点力之间的关系方 程，求得节点位移分量，进而求得节点的应变与应力。如果单元满足问题的收敛 性要求，那么随着单元尺寸的减小，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收 敛于精确解【1 3 j 。 有限元法可以分为线弹性有限元法和非线性有限元法。线弹性有限元法以理 想弹性体为研究对象，所考虑的变形建立在小变形假设的基础上。在这类问题中， 材料的应力与应变呈线性关系，满足广义胡克定律，应变与位移也是线性关系。 线弹性有限元问题的方程组是线性问题，因此只需要较少的求解时间。丽非线性 有限元分析中载荷与位移之间的关系不是直线关系，而是曲线关系。非线性有限 元问题的特点是：方程是非线性的，一般需要迭代求解；不能采用叠加原理；方 程不总有一致解，甚至没有解。因此，非线性问题的求解过程比线弹性问题更加 复杂、费用更高，更具有不可预知性。引起状态变化非线性的原因主要有三个： 材料非线性、几何非线性和边界条件非线性( 接触问题) 。当一个结构与另一个结 构或外部边界相接触时通常要考虑边界条件非线性问题。 2 2 接触问题的有限元法 过盈联接的滚筒轴与轮毂配合处、胀紧联接中的滚筒轴与胀套配合处、胀紧 联接中的胀套与轮毂配合处都为接触配合，都涉及到了边界条件非线性问题，即 接触问题。下面对接触非线性问题的相关理论进行简单的介绍。 接触问题是很普遍的一种非线性行为，它是状态变化非线性类型中一个特殊 而重要的子集。当两个物体在边界发生接触时，接触面的大小及接触力的大小， 与接触面的初始i b j 隙、摩擦力及载荷的大小有关。在加载过程中，接触面不断的 7 东北大学硕士学位论文第二章有限元分析基础 变化，即边界条件在不断的变化，且不可恢复，具有不可逆性。这种边界条件的 不确定性和不可逆性使接触应力的大小不再与外载荷成线性关系，并且应力状态 与力的加载次序有关【1 4 】。 2 2 1 接触的判别条件 由于边界状态在不断的变化，接触状态也随之不断变化，接触判别条件是判 断物体接触状态的依据，在有限元非线性计算中至关重要。 图2 1 接触物体及局部坐标 f i g 2 1c o n t a c to b j e c ta n dl o c a lc o o r d i n a t es y s t e m 接触问题中，在两个或多个物体相连的地方，有一些联系这些物体表面位移 和力的条件，叫做接触条件。通过接触条件，我们可以判断出两个或多个物体之 间的接触状态。目前，接触状态分三类，即连续边界、滑动边界和自由边界。 如图2 1 所示，a 、b 为两接触体，预设物体b 上的局部坐标系为o x y z ， 其中：0 为坐标原点，o z 为接触面的外法线，o x y 代表接触面的切平面。 若以u 口和r 卢分别代表第j 个接触物( j = a 、b ) ，第i 向接触在局部坐标系下 的位移分量和接触力向量。则三种接触状态的判别条件是： ( 1 ) 连续边界条件 见f 一一j 0 ( f m x ，y ，z ) ( 2 1 ) = + 屯 ( 2 2 ) u - 。= u 成o = x ，y ) ( 2 3 ) 其中，6 侥是接触在z 方向的初始间隙。同时要满足接触力为压力，切向平 面的不滑动，即 s 0( 2 4 ) 2 + 2s 1 i ( 2 5 ) 。其中，为两接触面之间的滑动摩擦系数。 8 东北大学硕士学位论文第二章有限元分析基础 ( 2 ) 自由边界条件 ( 3 ) 滑动边界条件 凡j ；一尺脚o z ，y ，z ) u 缸 u8 z + 6 。z ；u 如+ 眩 凡fl i r a - r , f a = z ，y ，z ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 实际上，接触判别条件遵循了接触物体表面的不可贯穿性和法向接触力为压 力的两条原则。上面介绍的是两个物体的接触状态的判断方法，在有限元计算中， 与节点间的接触状态的判断方法是相同的。 2 2 2 接触问题的有限元求解过程 接触过程通常依赖于时间，接触界面的状态是未知的，并随时间而改变，这 些特点决定了接触问题通常采用载荷增量方法，以试探一校核的迭代方式进行求 解。 每一增量步的试探一校核过程如下： ” ( 1 ) 根据前一步的结果和本步给定的载荷条件，通过接触判别条件的检查和 搜索，假设此步第一次迭代求解时的接触面的区域和状态； 一 ( 2 ) 根据上述接触面状态和区域的假设，将接触判别条件带入求解方程，进 行方程的迭代求解； ( 3 ) 利用假设情况下接触界面得到的判别条件作为校核条件对有限元求解结 果进行检查。如果物体接触面上的所有节点都不违反校核条件，则完成本步的求 解而进入下一个载荷增量步的计算；否则回到步骤( 1 ) ，再次进行搜索和迭代求 解，直到所有节点都满足校核条件，然后转入下一增量步的求解。 2 2 3a n s y s 中的接触分析 a n s y s 支持三种接触方式：点一一点、点一一面、面一一面接触，每种接 触方式使用的接触单元适用于某类问题。其中，面一一面接触有很多的优点，如： 支持低阶单元和高阶单元、支持有大滑动和有摩擦的大变形、协调刚度矩阵；提 供为工程目的所需的更好的接触结果，如：法向压力和摩擦应力、没有刚体表面 形状的限制等。 接触问题可以分为刚体一一柔体接触和柔体一一柔体接触两种类型。在刚体 一一柔体的接触问题中，接触面的一个和多个面被当成刚体( 与它接触的变形体 相比，有大得多的刚度) ，一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题 可以被假定为刚体一一柔体接触；另一类是柔体一一柔体接触，是一种更为普遍 9 东北大学硕士学位论丈第二章有限元分析基础 的类型，两个接触体都是变形体( 有相近的接触刚度) 。 本课题滚筒部分的接触分析中均采用了柔体一一柔体的面一一面接触类型 2 3 有限元单元的特点分析和选用 通用有限元软件a n s y s 是美国a n s y s 公司开发的大型通用有限元软件， 其理论部分基于有限元法，集成了窗口化的操作方式。在a n s y s 中，为了分析 的规范和真实化，提供多种单元来配合实际模型，本课题所分析的d t i i 型带式 输送机主要机械传动结构部件均采用p r o e 所建造的实体模型，为了跟其对应， 本课题采用了a n s y s 软件中五个单元：s o l i d 4 5 ( 实体单元) 、s u r f l 5 4 ( 表面效 应单元) 、m a s s 2 1 ( 质量单元) 、t a r g e l 7 0 ( 三维目标面单元) 、c o n t a l 7 4 ( 三维 接触单元) ，下面对其进行介绍。 2 3 1s oiid 4 5 ( 实体单元) m po ij k 图2 2s o l i d 4 5 的几何形状 f i g 2 2s o l i d 4 5g e o m e t r y s o l i d 4 5 单元用于构造三维固体结构。单元通过8 个节点来定义，每个节点 有3 个沿着x y z 方向平移的自由度，该单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、 大变形和大应变的特征。单元由8 个节点和各向同性的材料参数来定义，各向同 性材料方向对应于单元坐标系方向。单元载荷包括节点载荷和单元载荷。 2 3 2s u r f l5 4 ( 表面效应单元) s u r f l 5 4 单元可以用于各种变化载荷和表面效应，可以覆盖在任意3 d 单元 面上。该单元用于3 d 结构分析，而且变载荷和表面效应可以同时存在。s u r f l 5 4 允许复杂压力载荷。此单元是由4 8 节点和材料特性来定义的，本文在分析问 题的过程中，同时运用s u r f l 5 4 和s o l i d 4 5 两个单元，同时本文实体模型的单元 模拟均采用六面体单元，所以与之相对应的s u r f l 5 4 应该采用4 节点的形式，图 1 0 东北大学硕士学位论文第二章有限元分析基础 2 3 是s u r f l 5 4 单元4 节点的几何形状，单元x 轴由i 节点指向j 节点。 z y x z y i l k 图2 3s u r f l 5 4 的几何形状图2 4 压力 f i g 2 3s u r f l 5 4g e o m e t r y f i g 2 4p r e s s u r e s 由于s u r f l 5 4 单元是面单元，所以在使用s u r f l 5 4 单元之前，必须先对实体 模型划分好网格后，再对s u r f l 5 4 单元工作区域进行s u r f l 5 4 单元的网格划分。 基于s u r f l 5 4 单元的作用，结合从图2 4 可知，s u r f l 5 4 单元可以施加多个方向 的载荷( 这里只考虑在单元坐标系下的情况) ：( 1 ) 面1 表示施加z 向压力( 即单 元的法向) ；( 2 ) 面2 表示施加x 向压力；( 3 ) 面3 表示施加y 向压力。 2 3 3m a s s 2 1 ( 质量单元) x z y x z 醚k ，mp 。m 墨 i 糕，i 蹬，i 盛 y k e y o p t ( 2 ) = i ， 显示为节