硕士学位论文-具内分级旋转闪蒸干燥机机体强度分析.doc

分类号 密级 UDC 学 位 论 文具内分级旋转闪蒸干燥机机体强度分析作者姓名：朱指导教师：东北大学机械工程与自动化学院申请学位级别：硕士学科类别：工学学科专业名称：机械设计及理论论文提交日期：2011年6月论文答辩日期：2011年6月学位授予日期：2011年7月答辩委员会主席：评阅人：东 北 大 学2011年7月A Thesis in Mechanical Engineering and AutomationBody Strength Analysis of the Spin Flash Dryer with Internal Scatter DeviceBy Zhu ShifengSupervisor: Associate professor Zhang ZhenweiNortheastern UniversityJuly 2011独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己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：日 期：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。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年 一年 一年半 两年学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期：-I-东北大学硕士学位论文 摘要具内分级旋转闪蒸干燥机机体强度分析摘 要针对增加内分级后旋转闪蒸干燥机曾出现振动较大的问题，对结构改进后的具内分级旋转闪蒸干燥机进行强度分析是必要的，其结果对该系列产品结构设计具有实际意义。本文采用有限元数值分析方法，应用ANSYS Workbench软件，对具内分级旋转闪蒸干燥机机体结构进行分析，主要包括三方面内容：第一，根据载荷情况、实际模型和各有限元分析目标对机体进行简化；建立具内分级旋转闪蒸干燥机的有限元模型；对机体进行简单的静力学分析，得出在静载作用下的机体应力、应变等情况。第二，对具内分级旋转闪蒸干燥机机体进行热结构耦合分析，确定机体的温度场分布和机体在结构载荷和热载荷同时作用下的整体应力、应变和位移情况。最后，对具内分级旋转闪蒸干燥机机体进行动力学分析，预应力模态分析确定机体的各阶固有频率和振型，为谐响应分析提供基础；对有“缺陷”的旋转盘进行多体动力学分析，提供谐响应分析的激振力；对旋转盘和旋散装置分别单独考虑，进行谐响应分析，得出正常工作状态和共振频率下的机体的振动情况，从应力及幅频特性曲线两方面考察机体的动力学特性。关键词：内分级；强度；耦合；动力学-II-东北大学硕士学位论文 AbstractBody Strength Analysis of the Spin Flash Dryer with Internal Scatter DeviceAbstractAccording to the vibration problem of spin flash dryer after adding the internal scatter device, it is necessary to make the strength analysis of the spin flash dryer with internal scatter device, the structure of which had been improved. And the result is of practical significance to the structure design of that series product.This paper uses the method of finite element numerical analysis and ANSYS Workbench software to do the body structure analysis of spin flash dryer with internal scatter device. And it mainly includes three aspects:Firstly, it simplifies the body according to the lode condition, real mode and the targets of each finite element analysis type; it establishes the finite element mode of spin flash dryer with internal scatter device; it gets the actions of body stress and strain etc. by static lode after the simple static analysis to the body.Secondly, it carries on the body thermal-structure coupling analysis and gets the result of body temperature distribution and the overall conditions of stress, strain and displacement under the affect of both structure lode and thermal lode.Finally, it carries out the body dynamic analysis of spin flash dryer with internal scatter device：prestressed modal analysis can get bodys each order natural frequency and mode shape. And it is the foundation of the harmonic analysis; multi-body dynamics analysis of rotating disk, which is defect, can provide the exciting forces for the harmonic analysis; it will separately consider and carry out the harmonic analysis for the rotating disk and spin scattered device. It will get the vibration condition under the situation of normal operation and sympathetic vibration and investigate the dynamic characteristic by both aspects of stress and amplitude-frequency characteristic curve.Key words: internal scatter device; strength; coupling; dynamic analysis- III -东北大学硕士学位论文 目录目 录独创性声明I摘 要IIAbstractIII第1章 绪 论11.1 课题来源与意义11.2 干燥机的研究现状及行业发展动态21.3 干燥设备的分类和干燥器选择原则31.4 具内分级旋转闪蒸干燥机41.4.1 旋转闪蒸干燥机简介41.4.2 具内分级闪蒸干燥过程原理51.5 论文的主要工作及研究内容6第2章 有限元方法及强度理论92.1 有限元法的基本思路及其特点92.2 有限元分析软件ANSYS Workbench102.2.1 ANSYS简介102.2.2 ANSYS软件提供的分析类型112.2.3 ANSYS Workbench简介122.3 强度理论132.3.1强度理论概述132.3.2 应力分类15第3章 机体模型建立及其结构静力学分析173.1实体模型的建立173.2 相关工艺条件及材料参数203.3 网格划分213.4 边界条件的处理233.5 具内分级旋转闪蒸干燥机机体静力学分析243.5.1 静力结构分析概论243.5.2 机体静力学分析结果243.6 本章小结30第4章 具内分级旋转闪蒸干燥机机体热结构耦合分析314.1 传热学基本理论314.2 有限元热分析基础344.3 机体的温度场分析354.4 机体的热-结构耦合分析384.4.1 热结构耦合计算方法384.4.2 机体热结构耦合分析结果394.5 本章小结44第5章 具内分级旋转闪蒸干燥机机体动力学分析455.1 动力学分析基础知识455.2 机体模态分析455.2.1 模态分析理论基础465.2.2 预应力模态分析475.2.3 机体模态分析结果485.3 机体谐响应分析525.3.1 ANSYS中谐响应分析方法525.3.2 机体谐响应理论分析535.3.3 偏心质量引起的强迫振动概论545.3.4旋转盘的多体动力学分析555.3.5 机体的谐响应分析结果565.4 本章小结66第6章 结论与展望676.1 研究结论676.2 研究展望67参考文献69致 谢73-VI-东北大学硕士学位论文 第1章 绪论第1章 绪 论1.1 课题来源与意义干燥通常是指采用热物理方式将热量传给含水的物料，以此热量作为潜热使物料水分蒸发、分离的操作过程。干燥的特征是采用加热、降温、减压或其他能量传递的方式使物料中的水分产生挥发、冷凝、升华等相变过程与物料分离，以达到去湿的目的1。干燥技术的应用，在我国具有非常久远的历史，其中中国古代四大发明之一的造纸术、陶瓷制造工艺以及晒盐等就显示了干燥技术在生产生活中的应用。现代干燥技术的应用更涉及诸多的产业，具有很宽的服务领域。干燥技术在国民生产中应用的程度与一个国家的综合国力和国民生活质量的水平息息相关。从某种程度上说，干燥技术是一个国家国民经济和社会先进程度的体现。干燥在化工、陶瓷、医药、造纸、木材加工、矿业、农药等行业有着广泛的应用。它直接影响到产品的性能、形态、质量以及过程的能耗等。干燥技术的覆盖范围广，涉及到复杂的热、质传递机理，又与物料的特性、处理规模等密切相关，最后体现在各种不同的设备结构及工艺上。国内的干燥技术与设备在经历了几十年的发展后，大多数干燥设备工业化机型我国都可以加工，扭转了干燥设备靠进口的局面，甚至有的已达到了国际先进水平。但是我国干燥技术在基础理论研究、加工质量、自控水平、实验条件和能力、特殊物料干燥工艺的研究及设备的大型化、成套化、标准化方面与国际先进水平还有较大的差距。长期以来，国内自主研发的具有一定国内外影响力的干燥设备还未曾出现2。国内干燥设备的设计，几乎都是采用依据经验进行类比设计的方法，缺乏设计的相关标准和安全规程。许多干燥设备的发展，大多都是通过对已有干燥设备进行结构创新，通过改进设备、增加装置以改善设备内物料的流动状态，强化和改善干燥过程。经验设计虽说可以满足利用现有的设备改进，以实现干燥特定产品的暂时性要求，但从一个国家干燥产业的长远发展来看，仅凭经验设计、改进相关设备等手段获得发展，是远远不够的。由此可见，传统的干燥设备设计方法还存在一定的问题，需要引入新型研究设计手段来克服现今设计中所遇到盲目性与风险性，本研究课题正是来源于此。在原有的旋转闪蒸干燥机结构的基础上，直接在其顶部安装一个内分级头，改变了主体设备的受力模型。由于原有的旋转闪蒸干燥机在设计时，其主体设备的顶部位置并没有较大外力作用，机体各主要构件在原有力学模型下能保持足够的强度、刚度和振动稳定性等要求，但并不能保证在加装了内分级头后，主体设备仍具有良好的强度、刚度和振动稳定性。实际上，在具内分级旋转闪蒸干燥机投入实际生产后，就曾出现过机体产生较大晃动和振动等问题。因此有必要对再次改进后的具内分级旋转闪蒸干燥机采用科学的辅助工具，对主体设备进行研究与分析。近年来，有关旋转闪蒸干燥机的论文和试验也越来越多，这些论文大致可以分为以下几类：对旋转闪蒸干燥机的干燥机理研究3；对旋转闪蒸干燥机的参数选择的研究4；对旋转闪蒸干燥机传热传质方面性能研究5-6以及应用旋转闪蒸干燥机对不同物料干燥的实验研究7-8等等。朱艳敏9曾对闪蒸干燥机的旋转叶片进行力分析、热结构分析以及旋转叶片螺柱的非线性接触分析，而对旋闪干燥机主体设备的其它构件进行力学、强度等方面进行科学分析的论文也是少之又少，对具内分级旋转闪蒸干燥机进行这方面研究，国内更是尚未出现此类论文，因此，本课题不仅具有实际意义而且具有一定的理论意义。1.2 干燥机的研究现状及行业发展动态我国的干燥产业是从上世纪80年代中后期才迅速发展起来的，干燥设备被广泛应用于化工、制药、农林土特产品、粮食、轻工等领域。经过几十年的发展，我国的干燥设备行业已经形成了一定的企业数量和生产规模10。据有关数据显示，我国的干燥企业数量已达600多家，但是干燥产业集中度非常低，干燥企业以中小型规模为主，规模最大的干燥企业合同额在6000亿元人民币，是世界著名企业集团安德里茨干燥业务的十分之一至十五分之一11。这不仅导致规模经济效益的丧失，而且也加剧了市场的过度竞争状况，不利于我国干燥产业竞争力的提高。干燥技术的发展既需要工业实践，也需要学术研究。在过去的几十年里，我国的干燥技术研究取得了不少成果，例如，中国科学院工程物理研究所刘登瀛研究了在微时间尺度和高热流密度作用下的超急速传热传质，用实验验证了非傅里叶导热（非平衡）效应的存在，首次提出了非傅里叶热效应和非费克扩散效应对于干燥过程的影响趋势；香港科技大学化工系的陈国华博士对纸的热风冲击，穿透及冲击穿透干燥做了深入研究，并首次发现有二次升速阶段等等12。虽然有不少可喜的成果，但是由于我国在企业间的竞争尚不规范，阻碍了干燥技术的健康发展。很多成果尚未能转化为生产力，使企业的产品得不到更新。干燥技术的开发能力和高新技术的应用是干燥设备开发和技术升级的重要保证。同世界先进水平相比，我国的干燥技术的基础理论研究和应用技术开发都有很大的差距，为了适应新的市场环境下竞争的需要，必须加快技术进步和技术开发、技术合作的步伐，努力开发出具有独立知识产权的干燥设备13。我国的干燥企业要发展壮大，必须培养国际竞争力14：小型干燥企业要调整产品结构，向专业化发展，形成自己的技术特色；有技术和经济实力的企业要向规模化发展，开发生产大型装备，提高大型干燥装备的国产化水平；加强产业资源的整合，形成产业链；加强干燥技术基础研究工作，开发有自主知识产权的技术；充分利用国内外资源，不断吸收国外先进干燥技术；加强知识产权保护，形成干燥产业发展的良性环境；向“高效节能、绿色环保”方向发展，走可持续发展之路；提高加工质量、自控水平、环保要求和人性化设计水平，实现干燥设备从劳动密集型向技术密集型的转化；加强品牌管理，创造国际知名品牌。1.3 干燥设备的分类和干燥器选择原则由于干燥行业要干燥的物料种类繁多，而物料的种类也千差万别，不同物料的干燥特性也会有不同，这就导致了干燥设备类型的千差万别。干燥设备结构的复杂性主要由干燥设备供热方式、干燥器内空气与物料的运动状态和干燥装置组成单元等因素决定。干燥机的分类有三种方式，分别为按操作方法和热量供给方式进行分类、按照物料进入干燥器的形状进行分类以及按照附加特征的适应性进行分类15。干燥器的操作方法可分为两种：间歇式和连续式。干燥时的热量供给方式主要分为四种：红外线、传导、对流和介电。其中连续式的对流类分喷雾、气流、流化床及喷动床、直接加热回转、带式、箱式、穿流循环和通气竖井式移动床等类型。具内分级旋转闪蒸干燥机属于连续式气流对流式干燥机这一类型。物料进入干燥器的形状大致可分为以下几种：液体、泥浆、糊状物、预成型物、硬的物料、颗粒、纤维状及片状等。旋转闪蒸干燥机主要用于干燥膏糊状，滤饼状物料。因此具内分级旋转闪蒸干燥机可划分为干燥糊状物的干燥器类。物料的附加特征指的是物料干燥时是否易燃、易爆，物料是否具有毒性；物料对温度、氧化的敏感性；除物料本身的附加特性外，干燥时还要考虑产品是否具有特殊的形式以及单位产量的投资成本等附加特性。具内分级旋转闪蒸干燥机干燥后产品主要为粉状物。旋转闪蒸干燥机也适用一些热敏性物料及生物菌体等的干燥。在选择干燥器的类型时必须考虑的因素主要有以下几个方面：被干燥物料的性质：干（湿）物料的物料特性；腐蚀性；毒性；可燃性；粒子大小以及磨损性等。物料的干燥特性：湿分的类型（结合水、非结合水或二者都有）；初始及最终湿含量；所能允许的最高干燥温度；产品的相关特性（粒度分布；色、光泽、味等）。回收问题：粉尘回收与溶剂回收。用户安装地点的可行性问题：空间是否满足要求；可用的加热空气的能源类型及电能；排放粉尘的条件；噪声以及干燥前后工序的衔接。1.4 具内分级旋转闪蒸干燥机1.4.1 旋转闪蒸干燥机简介具内分级旋转闪蒸干燥机机体结构是在原旋转闪蒸干燥机机体结构上改进而得到的新型闪蒸干燥机。因此有必要简单介绍一下旋转闪蒸干燥机。旋转闪蒸干燥机的出现，最初是为了解决化学工业中高粘性膏糊状物料的干燥问题。最早的旋转闪蒸干燥机，即“70”型旋转闪蒸干燥机，存在粉末易进高温区，物料过热凝聚，旋转部件的机械稳定性差等缺陷；经改进后的“78”型，在许多方面已有所完善，但也存在粉末床层不稳定，出口温度和产品残余水分波动等缺点；现在市场上所见到的旋转闪蒸干燥机结构，基本上都是在“78”型结构基础上经过再次改进得到的，最具代表性的为丹麦安海达诺公司在1983研制成功的旋转闪蒸干燥机。旋转闪蒸干燥是带有旋转粉碎装置的竖式流化床干燥机，能同时完成物料的干燥、粉碎、分级等操作，即只须一次性连续操作，即可将浆料或滤饼等干燥为粉末。闪蒸干燥机的主体设备为圆筒形干燥室，由底部的粉碎硫化段、中部干燥段、顶部分级段组成。其工作过程可以分为破碎、气固接触、干燥、分级等四个阶段。干燥系统具有设备结构简单、工艺简便、操作方便、占地面积小、设备投资较小，又节省能源、干燥产品质量稳定等特点16。图1.1所示为旋转闪蒸干燥机干燥系统结构工艺流程示意图。其工作流程大致为17：冷空气通过鼓风机作用，通入蒸汽散热器（或其它加热方式）被加热。热空气由入口管以适宜的喷动速度进入干燥主机。在干燥主机等其他装置预热完毕，干燥主机出口温度到达一定值后，物料由进料器进入干燥主机，开始干燥过程。物料在干燥主机内被打散、干燥，并随气流进入旋风分离器进行气固分离。旋风分离器中被气流带出的物料进入布袋除尘器再次分离，气体将由引风机排至环境中18。图1.1 旋转闪蒸干燥机干燥系统工艺流程示意图Fig.1.1 Drying system process flow schemes of Spin Flash Dryer1.4.2 具内分级闪蒸干燥过程原理如图1.2所示为具内分级旋转闪蒸干燥主机的结构简图。其工作原理为：热空气沿筒体圆周切线方向进入干燥器底部，在打散机构带动下形成强有力的旋转风场。膏状物料由螺旋加料器进入干燥器内，在高速旋转打散叶片的强烈作用下，物料受撞击、磨擦及剪切的作用得到分散，块状物料迅速粉碎，与热空气充分接触、受热、干燥。脱水后的干物料随热气流旋转上升19。传统闪蒸干燥机在机体顶部设置分级环，将大颗粒截留，小颗粒从环中心排出干燥器外，由旋风分离器和布袋除尘器回收，未干透或大块物料受离心力作用甩向器壁，重新下落被粉碎干燥。但在实际生产中，分级环作用不大。对超细粉体的干燥，在干燥室顶部、回收室下部设置分级头，其作用就是对物料颗粒进行分级，较大颗粒回落干燥室。其上设置的叶片具有一定的破碎作用，与大颗粒碰撞，使其细化，并可避免细颗粒的二次团聚。1.回收室 2.分级头 3.干燥段 4.旋闪破碎段5.集风室 6.进风口 7.进料口 8.出风口图1.2 具内分级旋转闪蒸干燥主机结构简图Fig.1.2 Host structure diagram of Spin Flash Dryer with internal scatter device具内分级旋转闪蒸干燥系统为负压操作,无粉尘污染,旋转气流夹带物料呈螺旋状旋转上升,延长了空气与物料的接触时间,干燥路径相对加长,气固两相间相对速度大,传热传质系数增大,达到快速干燥效果,且物料温升低,无二次团聚,产品质量稳定,适合于非矿超细粉体的干燥作业20。1.5 论文的主要工作及研究内容本文主要对具内分级旋转闪蒸干燥机机体进行有限元仿真。针对具内分级旋转闪蒸干燥机机体的具体特点，在大量的理论分析及实践模拟的基础上，主要做了以下方面的工作：（1） 对机体结构进行合理的简化，建立有限元模型。（2） 对机体结构的静力学分析。（3） 对机体结构的热结构耦合分析。（4） 对机体结构进行预应力模态分析。（5） 对闪蒸分级头的主体部分即旋转盘进行刚体动力学分析。（6） 对机体结构进行谐响应分析，得到在稳态下的频率响应及应力分布。-7-东北大学硕士学位论文 第2章 有限元方法及强度理论第2章 有限元方法及强度理论有限元法是目前工程中应用较为广泛的一种数值计算方法。有限元法因其独有的计算优势而得到了广泛的发展，并由此产生了一批非常成熟的通用和专业的有限元商业软件。随着计算机技术的飞速发展，各种工程软件也得以广泛应用。所谓强度是指材料、机械零件和构件抵抗外力而不失效的能力。现代机械所受的工况、载荷及环境条件越来越苛刻，所遇到的机械强度问题也越来越复杂。机械强度科学研究是现代化机械设计实现高质量、高水平所不可缺少的基础和条件。研究机械强度的目的是为了保证和提高机械产品的质量，消除机械产品使用中潜藏的隐患，达到安全可靠、经济合理的要求。本章将从有限元方法和强度理论两方面加以论述。2.1 有限元法的基本思路及其特点有限元法(FEM，即Finite Element Method)，边界元法(BEM，即Boundary Element Method)，有限差分法(FDM，即Finite Difference Element Method)是目前在工程领域内常用的数值模拟方法。但在实际使用中应用相对广泛的依然是有限单元法21。一个工程问题或物理问题的数学模型主要包括基本变量、基本方程、求解域和边界条件等方面。有限元法对数学模型进行数值分析计算方法的基本思想可概括为以下三个方面： 结构离散化：将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域，并通过他们的边界上的节点相互联结为一个组合体。 用每个单元内所假设的近似函数来分片表示全求解域内待求解的未知场变量。而每个单元内的近似函数由未知场函数（或其导函数）在单元各个节点上的数值和与其对应的插值函数来表示。由于在联结相邻单元的节点上，场函数具有相同的数值，因而将它们作为数值求解的基本未知量。这样一来，求解原待求场函数的无穷多自由度问题转换为求解场函数节点值的有限自由度问题。 通过和原问题数学模型（例如基本方程、边界条件等）等效变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量（场函数节点值）的代数方程组或常微分方程组。此方程组成为有限元求解方程组，并表示为规范化的矩阵形式，接着用相应的数值方法求解该方程组，从而得到原问题的解答。有限元之所以能得到如此广泛的应用，与其本身所具有的特点是分不开的。有限元的特点可以概括为：对复杂几何模型的适应性，有限元单元可以通过不同的连接方式，连接在一维、二维或三维空间内的不同单元形状的单元，而复杂的几何模型或构造都能离散成单元组合体有限元模型；对各种物理问题的适应性，有限元适用于线弹性、弹塑性、粘弹性、动力、屈曲、流体力学、热传导、声学、电磁场以及各种耦合场问题；有限元的可靠性建立具有严格的理论基础，变分原理或加权余量法在数学上已被证明是微分方程和边界条件的等效积分形式，只要数学问题的模型正确，并且数值算法稳定可靠，则随着单元数目的增加或是单元自由度的增加，求解的近似程度不断被改进；应用计算机来实现具有高效性，有限元的最后求解方程可统一为标准的矩阵代数问题，各个步骤也可规范成矩阵形式，适合计算机的编程与执行22。2.2 有限元分析软件ANSYS Workbench2.2.1 ANSYS简介ANSYS软件是由美国ANSYS公司开发，融合结构、电磁、流体、声学和爆破分析于一体的大型通用有限元分析软件，能同时模拟结构、电磁、流体、热以及多种物理场间的耦合效应。其广泛应用于石油化工、航空航天、土木工程、造船、生物医学、机械制造、核工程、国防军工等各个领域。ANSYS能与多数的CAD软件配合使用，实现数据的共享和交换。在美国ANSYS公司相继收购ICEM、CFX、CENTURY DYNAMICS、AAVID THERMAL、FLUENT等世界著名有限元软件制造公司后，ANSYS软件得到了相应的整合，使得ANSYS成为当今世界上最为通用和有效的商用有限元软件。ANSYS软件主要包括三个处理模块：前处理模块，加载求解模块和后处理模块。前处理模块主要应用于创建实体模型以及有限元模型。主要工作包括实体模型建立，定义单元属性，划分有限元模型，修正模型等内容。加载求解模块主要指定义自由度及各种类型载荷，并求解。在求解前需要检查分析数据，包括确定模型中不应存在不该有的缝隙、载荷的方向、参考温度、单位制的统一性等等。后处理模块中包含两个后处理器，通用后处理器（POST1）和时间历程后处理器（POST26）。通用后处理器用来查看整体模型在某一时刻的结果；时间历程后处理器常用来处理瞬态分析和动力分析的结果，主要用于查看模型在不同时间段或子步上的值。2.2.2 ANSYS软件提供的分析类型ANSYS软件提供了九种基本功能：结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、和压电分析。并提供了五种高级功能：多物理场耦合分析、优化设计、拓扑优化、单元生死以及用户扩展功能（UPF）。构成ANSYS协同仿真环境的产品系列包括有23：结构分析体系：a.强大的结构分析模块（Mechanical） b.冲击爆破模拟模块（LS-DYNA） c.高级疲劳分析模拟模块（FE-SAFE）电磁场分析体系：a.FEM法高低频电磁分析（EMAG） b.高频电磁MOM/PO/UTD混合法专用软件（FEKO）流体力学分析体系：a.流体力学分析专用模块（CFX） b.飞行器外流分析专用模块（Cart3D）行业化定制模块：a.快捷分析工具（DesignSpace） b.快捷优化工具（DesignXplorer） c.快捷疲劳分析工具（Fatigue）仿真模型建造系统：a.ANSYS协同仿真环境（Workbench Enviroment） b.强大的几何建模实体工具（DesignModeler） c.世界顶级CAE网格雕塑模块（AI Enviroment） d.世界顶级CFD网格雕塑模块（ICEM CFD）设计人员快捷分析工具箱：a.基于实验设计（DOE）技术的优化工具（DesignXplore） b.基于变分（VT）技术的优化工具（DesignXplorer VT）多目标快速优化工具：a.土木工程专用软件（CivilFEM） b.板成形仿真专用软件（DYNAFORM） c.汽车虚拟实验场专用软件（VPG） d.声学分析专用软件（Sysnoise） e.跌落仿真专用软件（Drop Test） f.MEMS设计及分析工具（MEMSPro）客户开发平台（ANSYS Workbench SDK）本文所用的分析类型主要为结构静力分析，热分析以及结构动力学分析。下面简单的介绍这三种分析类型的特点。结构静力分析：用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。热分析：程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。结构动力学分析：用于求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机动力学分析。2.2.3 ANSYS Workbench简介ANSYS Workbench是ANSYS公司推出的协同仿真环境，用于解决企业在产品研发过程中遇到的CAE软件的异构问题。ANSYS Workbench具有以下特性：把ANSYS系列产品融合在仿真平台里，实现了数据的无缝传递与共享；为仿真模拟与设计提供了全新的平台，提高了仿真效率；利用ANSYS系列产品求解模块保证了仿真模拟的通用性与精确性。ANSYS Workbench中提供了与ANSYS系统求解器的强大交互功能的方法。ANSYS Workbench作为一个集成框架，它整合现有的各种应用，并将仿真过程结合在一起。这个环境提供了一个独特的CAD及设计过程的集成系统。ANSYS Workbench由多种应用模块组成，主要模块如下24：-Mechanical：利用ANSYS求解器进行结构和热分析。-Mechanical APDL：采用传统的ANSYS用户界面对高级机械和多物理场进行分析。-Fluid Flow(CFX)：采用CFX进行CFD分析。-Fluid Flow(FLUENT)：使用FLUENT进行CFD分析。-Geometry(DesignModeler)：建立几何模型。-Engineering Data：定义材料性能。-Meshing Application：用于生成CFD和显示动态网格。-Design Exploration：优化分析。-Finite Element Modeler(FE Modeler)：对NASTRAN和ABAQUS的网格进行转化以进行ansys分析。-BladeGen(Blade Geometry)：用于创建叶片几何模型。-Explicit Dynamics：具有非线性动力学特色的模型用于显示动力学模拟。本文中使用到的应用模块主要有：Mechanical、Geometry(DesignModeler)和Engineering Data。ANSYS仿真协同环境的目标是，通过对产品研发流程中仿真环境的开发与实施，搭建一个具有自主知识产权的、集成多学科异构CAE技术的仿真系统。以产品数据管理PDM为核心，组建一个基于网络的产品研制虚拟仿真团队，基于产品数字虚拟样机，实现产品研制的并行仿真和异地仿真。所有与仿真工作相关的人、技术、数据在这个统一环境中协同工作，各类数据之间的交流、通讯和共享皆可在这个环境中完成25。2.3 强度理论2.3.1 强度理论概述强度理论是一个很独特和奇妙的研究主题。其命题很简单，但问题很复杂；对强度的研究众多，但进展很慢；它是最早研究的经典课题之一，但至今仍在不断发展，它是古老而年青的学科。人们对强度理论已进行了大量的理论和实验研究。到目前为止，已经提出了上百个模型或准则，关于强度理论的应用研究的论文则数以万计26-28。强度理论是20世纪初Timoshellko的第一篇论文的题目，而后写入他的一些专著中的一节。到20世纪50年代，强度理论或屈服准则被写入一些课程中的一章，例如材料力学，塑性力学，土力学等。1985年强度理论成为西安交通大学研究生的一门课程。近年来出现了许多关于强度理论或破坏准则的专著。机械设计的基本要求之一就是要满足强度要求，机械强度包括材料强度和结构强度两个方面的内容29。材料强度的定义：在不同因素影响下，材料的各种力学性能指标。影响材料强度的因素众多，主要有：材料本身的化学性质、材料的加工工艺、热处理方式、载荷性质及加载速率、温度和介质等。结构强度是指组成机械产品的机械零件和构件的强度。复杂的应力状态在工程和自然界中广泛存在。而结构以及材料在复杂应力状态下的强度是一个普遍问题。强度理论作为研究材料和结构强度的重要基础，已被广泛的应用在机械、物理、材料科学和各种工程中。工程中常用的强度理论主要有以下几种：最大主应力理论（第一强度理论或Rankine理论），由W.J.M. Rankine提出，其内容为：材料发生断裂是由最大拉应力引起，即最大拉应力达到某一极限值时材料发生断裂。在复杂应力状态下，材料的破坏条件是，考虑安全系数以后的强度条件是，主要应用于材料无裂纹脆性断裂失效形势，其局限在于没考虑、对材料的破坏影响，对无拉应力的应力状态无法应用。最大正应力理论（第二强度理论或Saint Venant理论），由Saint Venant提出，其内容为：材料发生断裂是由最大拉应变引起。强度理论条件是：，主要应用于脆性材料的二向应力状态且压应力很大的情况，其局限在于此理论与极少数的脆性材料在某些受力形势下的实验结构吻合。最大剪应力理论（第三强度理论或Tresca-Guest理论），由C.A. Coulomb首先提出，其内容为：材料发生屈服是由最大切应力引起的。危险点处于复杂应力状态下的构件，按第三强度理论所建立的强度条件是：，主要应用于材料的屈服失效形势，其局限在于没考虑对材料的破坏影响，计算结果偏于安全。最大形变能理论（第四强度理论或八面体剪应力理论），由M.T. Heuber首先提出，其内容为材料发生屈服是畸变能密度引起的。在复杂应力状态下，物体形状的改变及所积蓄的形状改变比能和三个主应力的差值有关；而物体体积的改变及所积蓄的体积改变比能和三个主应力的代数和有关。与第三强度一样，主要应用于材料的屈服失效形势，其局限在于虽然比第三强度理论更符合实际，但公式过于复杂。莫尔理论，由Otto Mohr对第三强度理论进一步引申而提出，后人对其进行简化，其内容为：材料发生破坏是由于材料的某一面上剪应力达到一定的限度，而这个剪应力与材料本身性质和正应力在破坏面上所造成的摩擦阻力有关。莫尔理论是目前在岩石力学中应用最广泛的理论。强度理论在机械制造、航空航天、水利交通、建筑等许多工程设计中广泛应用，对材料的充分利用，构件和工程的安全具有重要意义。强度理论的研究经历了漫长历史，取得了许多重要进展，但迄今尚未完善，有些问题仍在深入探讨中。在研究和设计中合理地选择强度理论（屈服准则、破坏准则，或材料模型）是非常重要的30-31。合理地应用强度理论，既可保证结构的安全，又可充分发挥材料的强度潜力，在工程建设中可产生较高的经济效益。研究和设计的结果在很多情况下依赖于所选择的强度理论。正如Sturmer等所指出的那样，正确地选择强度理论变得比计算更重要。结构承载力、有限元模拟的变形尺度、塑性区范围、剪切带方向以及塑性流动局部化均受强度理论选择的影响。对于航天航空结构，结构质量每减轻1kg，其经济效益将相当于或大于一千克黄金。除了采用新材料和合理的结构外，采用合理的强度理论将是发挥材料的强度潜力，提高承载能力和减轻结构重量的新途径。在未来的研究和工程应用中，需要有更多的复杂应力状态强度实验结果以及更精确的强度理论。2.3.2 应力分类在工程领域，比如工程压力容器设计时经常考虑到应力的分类，考虑到具内分级旋转闪蒸干燥机机体结构的相似性，有必要详细介绍应力的分类情况。这将是具内分级旋转闪蒸干燥机强度分析的基础。压力容器应力分类方法通常将应力分为三类：一次应力、二次应力和峰值应力32。一次应力是由外载引起的正应力和剪应力，又称为基本应力。外载荷通常包括自身重量，内、外压，外力或外加力矩。一次应力必须满足外力、内力和弯矩的平衡要求。它不能靠本身到达屈服极限来限制其大小，具有“非自限制性”。一次应力分成三种类型：一次薄膜应力、局部薄膜应力和一次弯曲应力。沿壁厚均匀分布的一次应力称为一次薄膜应力，它是由外载荷引起的，且与外载荷相平衡的应力平均值。局部薄膜应力，是由内压、其它机械载荷以及边缘效应中环向应力等引起的，它也是沿壁厚方向均匀分布的，但具有局部应力性质。一次弯曲应力是指由外载荷引起的与外载荷平衡的弯曲应力。属于一次弯曲应力的有平端盖或顶盖中央部分在内压作用下产生的应力，圆筒壳因自重产生的弯曲应力。二次应力是由相邻部件的约束或结构本身约束所引起的应力，具体说是指在外载作用下不同变形部分连接处为满足位移连续性条件而引起的局部附加薄膜应力和弯曲应力。二次应力具有自限性，就其范围来说是局部的。二次应力的应力强度达到屈服极限，只会引起容器的局部区域屈服，与此相邻的区域仍具处于弹性状态，容器不至于立即破坏。压力容器的顶盖与圆筒连接部分，法兰与壳体连接部分、不同直径或壁厚的壳体连接部分，也就是说容器壳体的不连续部分在外力作用下变形受到约束而产生的应力，以及由于圆筒容器轴向温度梯度产生的热应力和筒口连接管与装配接管的壳体间由于温差而引起的热应力等均属于二次应力的范畴。峰值应力是指扣除薄膜应力和弯曲应力后，沿壁厚方向成非线性分布的应力。峰值应力主要发生在小半径过度圆角，局部未焊透等处。峰值应力分布区域小，没有明显变形，可能称为疲劳破坏（低循环疲劳）和脆性变形的起源。-74-东北大学硕士学位论文 第3章 机体模型建立及其结构静力学分析第3章 机体模型建立及其结构静力学分析静力学分析主要用于计算结构在固定不变的载荷作用下结构的响应。静力学分析不考虑惯性及阻尼的影响，也不考虑载荷随时间的变化。但是静力分析可以计算固定不变的惯性载荷对结构的影响，比如重力和离心力，以及那些可以近似为等价静力作用随时间变化的载荷，比如在建筑规范中定义的静力风载荷和地震载荷。本章主要进行两方面的内容，一是根据二维设计图纸，在三维建模软件UGNX 6.0里进行实体建模，同时完成实体模型的相关简化工作；二是建立有限元模型，完成有限元模型的网格划分工作；三是对机体结构进行静力学分析（不考虑温度载荷）。3.1 实体模型的建立图3.1所示为具内分级旋转闪蒸干燥机机体结构，其主要机构有：支架（起支撑与固定结构的作用）、分级头（起二次打散作用）、分散装置（用于打散湿物料）、筒体（形成不同干燥空间段）、法兰（连接筒体与筒体、筒体与支架）、电机（提供动力）等。具内分级旋转闪蒸干燥机的机体部分结构较复杂，体积较大。为了将这样一个结构分析清楚，必须对有限元分析的过程进行整体性的规划，确定合理的建模方案，从而达到既能满足计算精度要求，又能节省机时，降低工作量的目的，这也是应用有限元法对具体结构分析时一个比较重要的工作。因为有限元分析计算结果准确度的高低，直接受有限元模型、约束条件、载荷处理与实际工程结构力学特性符合程度的影响，若有失误则会造成很大误差，甚至得出错误结果，使分析失败。在进行机械结构模型的简化时，要遵循一定的原则：模型应能基本反映分析结构的真实受力状态；结构的简化应确保所需的计算精度，分析计算结果应能满足实际工程需要；模型考虑的因素应尽量少，以使得研究对象相对简单，降低有限元分析时的计算时间和工作量。 图3.1 具内分级旋转闪蒸干燥机机体二维结构示