（机械设计及理论专业论文）超临速球磨机导向机构设计分析及磨矿介质运动学规律研究.pdf

比明理工大学硕士学位论文 摘要 在磨矿作业过程中，球磨机的生产能力随球磨机转速的增加而增加，提高球磨 机转速，可显著地提高球磨机生产能力，但是当常规球磨机的转速达到或超过某一 值时，其磨矿介质和矿石将发生离心运动，磨矿能力不但不随转速的进一步增加而 增加，反而出现几乎不能磨矿的现象，这时球磨机的转速就是临界转速。超临速球 磨机作为一种新型的磨矿设备，其磨矿机理和常规球磨机有很大的不同。它突破 了常规球磨机只能在临界转速以下工作的限制，以超过临界转速进行磨矿作业， 磨矿效率大大提高。 超临速球磨机简体内采用导向机构改变了常规球磨机内被重力和离心力控制 的磨矿介质和矿石的运动轨迹，使矿石受到高速和最大限度的冲击和磨剥，磨矿 效率和磨矿速度大大提高，从而达到球磨机小型化、生产能力大型化的目标。目前 国内外在超临速磨矿设备和理论方面的研究还不多见，且大多是从工艺上进行的 研究，超临速球磨机的设计制造缺乏新的理论依据，还不能广泛应用于工业生产 实际。 本论文对超临速球磨机的结构组成、特点进行了阐述，对其导向机构进行了 合理的设计，并对整机迸行了三维建模。在有限元理论分析的基础上，对导向机 构建立了符合实际工况的理论模型、边界条件等，用a n s y s 软件进行了有限元仿 真分析，得到了导向机构的结构变形和应力、应变分布情况，分析结果和实际情 况相符，总结出了一些很有学术和应用价值的结论。 针对超临速球磨机磨矿介质运动的三个阶段：圆周运动阶段、沿导向板滑落 阶段、抛物线冲击矿石阶段，对超临速球磨机磨矿介质运动规律进行了研究，得 出了超临速球磨机磨矿介质的运动轨迹方程、对矿石的冲击速度、冲击力公式和 冲击次数等，为进一步探讨磨矿介质对矿石的冲击效果而进行运动仿真和试验分 析莫定了理论基础。最后为该课题的进一步研究方向提出了一些有益的建议。 本论文所运用的研究方法和得出的结论对超临速球磨机工业化设计能起到积 极的推动作用。 关键词：超临速球磨机有限元分析导向机构a n s y s 运动学规律 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fg r i n d i n go r e s ，t h ep r o d u c t i v ec a p a c i t yo ft h eb a l lm i l lw i l lb e i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e m e n to ft h er o t a t i o ns p e e d b u tt h ec e n t r i f u g a lm o t i o no fb a l l s a n do r e sw i l lo c c u rw h e nt h er o t a t i o ns p e e do ft h eb a l lm i l lr e a c h e so re x c e e d st h e s p e c i a lv a l u e ，a n dt h ep r o d u c t i v ec a p a c i t yc a n tb ei n c r e a s e d ，e v e nt h a tt h eo r d i n a r y b a l lm i l lc a nh a r d l yg r i n do r e s t h es p e c i a lv a l u ei sn a m e da sc r i t i c a lr o t a t i o ns p e e do f t h eb a l lm i l l u l t r a e r i t i e a lr o t a t i o ns p e e db a l lm i l l ( u r s b m ) i san e wk i n do fe q u i p m e n t f o rg r i n d i n go r e s ，i ti sd i f f e r e n tf r o mo r d i n a r yb a l lm i l li nt h ep r i n c i p l eo fg r i n d i n go r e s u r s b mh a sb r o k e nt h el i m i to fc r i t i c a lr o t a t i o ns p e e d ，a n di tc a ng r i n do r e sb y e x c e e d i n gc r i t i c a lr o t a t i o ns p e e d ，s oi t se f f i c ! e n c yo fg r i n d i n go r e si si n c r e a s e d t h ec e n t r i f u g a lm o t i o ns t a t eo ft h eb a l l sa n do r e si nt h eu r s b mi sc h a n g e db y g u i d a n c ed e v i c ee q u i p p e di nt h eu r s b m ，a n dt h eb a l l sa n do r e sa r ef o r c e dt om o v ei n p a r a b o l al o c u s ，s ot h eo r e sa r ec r a s h e da n dm i l l e da c u t e l y , a n dt h ep r o d u c t i v ec a p a c i t y o ft h eu r s b mi si n c r e a s e dr e m a r k a b l y t h ed e v e l o p i n go b j e e t i v et h a tt h es m a l l - s c a l e b a l lm i l lh a sl a r g e s c a l ep r o d u c t i v ec a p a c i t yi s a t t a i n e d n o w ，t h er e s e a r c h e so n u r s b ma n di t sp r i n t i r l eo fg r i n d i n go r e sa r en o te n o u g h ，a n dm o s to fw h i c ha r e r e s e a r c h e so np r o c e s so fg r i n d i n go r e s t h ei n d u s t r i a l i z a t i o nd e s i g no fu r s b ml a c k s t h e o r yb a s i s t h e r e f o r e ，t h eu r s b mc a n ta p p l yt ot h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fu r s b m ，d e s i g n st h e g u i d a n c ed e v i c eo fi tr e a s o n a b l y , a n de s t a b l i s h e st h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fi t b a s i n go nt h et h e o r ya n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n t ，t h ea u t h o rh a sc o n s t r u c t e dt h et h e o r y m o d e l ，b o u n d a r yc o n d i t i o n so fg u i d a n c ed e v i c e ，a n da n a l y z e di tw i t ha n s y s s o f t w a r e t h eg u i d a n c ed e v i c e ss t r u c t u r a ld e f o r m a t i o n ，s t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o na r ef o u n d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n a n a l y s i sa r ef i t f o rp r a c t i c e a n dt h ea u t h o rg e t ss o m e c o n c l u s i o n sw h i c hh a v ea c a d e m i ca n d a p p l i e dv a l u e a c c o r d i n gt ot h a tt h eb a l lm e d i u m si nt h eu r s b mg ot h r o u g ht h r e es t e p s ： u n i f o r mc i r c u m f e r e n c em o t i o n ，m o t i o no nt h es u r f a c eo fg u i d a n c ea r c p l a t ea n d p a r a b o l am o t i o n ，t h ea u t h o rs t u d i e st h ek i n e m a t i c sr e g u l a r i t yo ft h eb a l lm e d i u m s t h e p a r a b o l ae q u a t i o n ，t h ef o r m u l ao fi m p a c tv e l o c i t y , i m p a c tf o r c e so ft h eb a l lm e d i u m s a n di m p a c tf r e q u e n c ya r ee x t r a c t e d t h e r e f o r e ，m o r er e s e a r c h e so nm o t i v es i m u l a t i o n 昆明理工大学硕士学位论文 o fb a l lm e d i u m ss t r i k i n go r e sa n dt e s ta n a l y s i sh a v et h e o r yf o u n d a t i o n b e s i d e s ，t h i s p a p e rh a sg i v e ns o m eu s e f u la d v i c eo nt h et a s ki nt h ef u t u r e t h en e wt h o u g h tt h i sp a p e rp r e s e n t sa n dt h en e ws t u d ym e t h o dt h i sp a p e ru s e s m u s ta c c e l e r a t et h ep r o c e s so fu r s b mi n d u s t r i a l i z a t i o nd e s i g n k e yw o r d s ：u l t r a c r i t i c a lr o t a t i o ns p e e db a l im i l i ( u r s b m ) ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， g u i d a n c ed e v i c e ，a n s y s ，k i n e m a t i c sr e g u l a r i t y f n y8 3 1g 4 + 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 。 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刘遁玉 日期：力时年，月7 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：上灿文作者签名： 刘通玉 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 研磨作业是使物料粒度减小的过程，广泛应用于冶金、化工、矿山、水泥、 陶瓷、医药、建筑和电力等部门。磨机是物料磨碎作业的主要设备，其特点是设 备投资大，能耗高，磨机处理能力和产物粒度对后续作业的效率和整个生产的技 术经济指标影响显著。因此，有关磨机的研究在国内外一直受到广泛和高度的重 视。下面就磨矿技术与设备的发展研究方向、磨矿设各的发展趋势进行阐述。 1 1 1 磨矿技术与设备的发展研究方向 鉴于磨矿技术及设备的应用涉及化工、冶金、建材、电子、医药和农业等许 多领域，以及被粉磨材料种类的多样性，尤其是当代高新技术发展对材料深加工 制备提出越来越高的要求：粒度微细化、粒度分布均匀化或颗粒形状特定化、品 质高纯化、表面处理功能化等等，必将促使磨矿技术与设备的不断发展。其发展 和研究的主要方面应包括“1 ： 开发磨矿与分级相结合的闭路工艺流程及磨矿分级设备，从而降低能耗， 提高生产率。 提高和改进现有磨矿设备的性能，降低生产成本，增加设备的品种和机型。 实现工艺研究和设备开发的一体化，针对具体物料特性，进行设备开发研 究。 矿石性质的综合分类和数学描述。长期以来，在磨矿研究中矿石性质分 类简单，如金属和非金属矿、软矿石和硬矿石、易磨矿石、中等可磨矿石和难磨 矿石。关于矿石性质的数学描述也极为简单，一般只涉及硬度和抗压强度等。这 样简单的分类和数学描述使得矿石性质的很大变化不能表现为磨矿优化输入因素 值的变化，也就是磨矿优化结果对于矿石性质的变化反应迟钝，这与实际结果必 然相差很大因此将矿石的矿物构成、矿石结构、构造等多种因素综合加以考 虑，进行详细分类和数学描述是磨矿优化理论、定量化的重要前提，也是磨矿优 化成果具有普遍意义的重要条件。 磨矿过程的模拟。国内外对磨矿过程的模拟研究十分重视，磨矿过程的模 拟研究是磨矿过程优化控制的基础，也是磨矿优化从试验研究走向理论研究的关 l 昆明理 ：大学硕士学位论文 键步骤。 重视磨矿生产过程中的自动检测和控制技术的研究。磨矿过程的控制较选 矿其他过程更加容易，在国外应用较多，但国内的应用仍然十分落后，搞好磨矿 生产的自动检测和控制，是磨矿技术推广应用和取得经济效益的重要保证。 重视高能技术的应用。有研究表明，高能技术能够促成矿石裂缝的扩升和 沿晶界破碎，从而极大地减少能耗。但这一技术因高能的产生、存储和保护等问 题仍停留在实验室阶段，预计高能技术的工业应用可能促成磨矿技术上的重大突 破。 超临速磨矿理论得到进一步发展，各种超临速磨矿设备得到广泛应用。超 临速磨矿设备突破了临界转速的限制，随着磨机转速的提高，磨矿效率和速度大 大提高。 1 1 2 磨矿设备发展趋势 1 磨机大型化陆“3 3 随着被处理的矿产资源逐步“贫化、细化、杂化”，为追求效益，矿山企业更 加重视扩大生产规模，降低生产成本，提高技术经济指标，因而磨机简体因素越 来越被重视。8 0 年代末，由于磨机按比例放大仿真技术的应用和磨机制造技术的 提高，以及无齿轮传动环形电机的使用，磨机进一步向大型化发展。芬兰 r a u m a r e p o l a 公司制造了世界上最大球磨机庐6 5 9 6 5 m ，传动装置是一个与简体 组成整体的9 6 5 m w 三相同步环型电机，该机在挪威的锡得瓦兰格公司 ( s y d v a r a n g e r ) 的希尔克内斯( k i r k e n e s ) 铁矿厂投入使用，生产能力达到 1 0 0 0 t h ，磨矿总费用降低了3 0 。我国德兴铜矿从美国引进8 台毋5 0 5 x 8 8 3 m 的溢 流型球磨机用于第一段磨矿；永平铜矿从加拿大h - c 公司引进了2 台妒5 0 3 x 6 4 m 的溢流型磨机用于第一段磨矿，磨机安装功率为2 6 0 0 k w ，转速为1 3 8 r m i n ，磨 机设计的生产能力为2 1 0 t h ，国内沈阳重型机械厂已经制造了庐5 0 3 x 6 4 m 的溢流 型球磨机。 磨机直径的变化对磨矿过程有明显的影响。大型磨机通常具有较高的比破碎 速率，并且可用于处理粗的给料。但磨机直径过大，会产生一些新的问题，如转 速降低，容易导致钢球冲击作用小，磨剥作用大，球和矿的接触少；球荷死区迅 速增加；矿浆通过球介质的几率下降，矿浆在磨机内停留时间变短，也阻碍了能 量从球介质向矿粒的传递，往往会导致单位容积产量下降，磨矿产品的电耗高。 因此，a l l i s - c h a l m e r s 公司认为球磨机直径不能超过5 m 是有道理的。 2 第一章绪论 磨机的大型化虽然能按比例提高磨机的处理能力，但也会带来各种各样的机 械设计和制造等方面的问题，这些问题对球磨机和半自磨机的影响会更大。对于 我国这样一个工业发展水平不高的国家，目前磨机的大型化仍有很多的困难。因 此，磨机的发展方向应由大型化转向高效节能方向发展。大中型球磨机采用静动 压轴承，提高效率、降低动力损失；中小型球磨机采用中心传动、滚动轴承，已 降低安装功率，减少无用功耗。我国目前研制的圆锥型球磨机大多具有高效节能 的特点。 2 高效节能球磨机 中心传动球磨机n “坫3 衡阳有色冶金机械总厂生产的中心传动球磨机，其传动是通过电机带动行星 齿轮减速器直接驱动简体，电机、减速器传动系统和简体位于同一中心轴线上， 简体由调心滚子轴承支承，磨机中空轴径与主轴承间为滚动摩擦。阻力减小，实现 了节能。液力耦合器传动可吸收和隔离扭振，从而实现缓和冲击、平稳启动，减 少了对电网的冲击。双级行星齿轮减速器，传动比大，效率高，重量轻，降低制 造成本。 静动压轴承球磨机”1 衡阳有色冶金机械总厂、沈阳重型机械厂和上海重型机械厂均生产这种球磨 机。该机采用静动压轴承，在启动时采用高压液压系统润滑，用高压油将球磨机 简体顶起，待启动后采用低压液压系统润滑，保证了球磨机中空轴径始终处于良 好的润滑状态，摩擦阻力小，启动电流低，降低了磨矿功耗。电机轴和小齿轮轴 间采用气动离合器，实现分段启动，降低了启动电流和功率，减少了对电网的冲 击。齿轮采用喷雾润滑，定时定量将润滑剂喷射到齿轮工作表面以改善润滑，减 少机械损失，降低运转能耗；采用圆角方型衬扳，提高磨机处理能力和磨矿效率， 显著降低磨矿电耗和钢耗。 锥形球磨机“” 锥形球磨机作为一种高效节能的磨矿设备已被广泛认可，它不仅具有高效节 能的特点，而且不象普通球磨机对入料粒度要求严格，选用锥形球磨机可简化工 艺流程，出料粒度均匀，且不会出现过粉现象。其设计思想是根据物料的不同特 点，采用不同的粉磨方式，获得最佳的粉磨效果。 锥形球磨机特有的锥形结构能自然分离粉磨介质( 钢球) ，大球位于筒体最大 直径段，即给料端；小球位于圆锥段，即捧料端。较粗的物料在给料端大球的作 用下获得大的冲击能量，完成粗碎作业；小球位于排料圆锥端，以获得更多的表 昆明理工大学硕士学位论文 面积进行细磨。圆锥形球磨机的特点是相当于在球磨机筒体内安装有永久性分级 机，物料依粒度不同排列在筒体内，越细越靠近出料1 ：3 ，不会产生过磨，增加了 有用功，降低了无用功，从而达到节能降耗的目的。 3 细磨和超细磨设备” 随着现代工业对超细物料的需求量日益增大，品质要求不断提高，新的超细 粉磨设备及新型粉磨工艺不断出现。当前，在许多工业部门中，往往需要将固体 矿料粉磨到几十微米，甚至要求达到几个微米。这样极细和超微细的产品粒度， 采用常规的圆筒形球磨机作为矿料的超细磨矿设备，不仅磨矿过程的能耗、钢耗 高，而且磨矿效率也低，这显然是很不适合的和极不经济的。 矿物细磨更加普遍还有两个主要的原因。第一，一些原料价格的迅速增加， 意味着许多工业部门正在寻找可用于最初配料中而不会降低其原始特性的填料矿 物。第二，合成材料的利用和使用的不断发展，意味着合成材料的技术要求e t 趋 严格，这就需要开发新的材料。一般来说，一种矿物被磨得越细，该矿物就能越 多地混合于物料产品的最初配料中。 常用的细磨和超细磨设备有离心磨矿机、行星磨矿机、振动磨矿机、搅拌磨、 雷蒙磨、气流磨和高速机械冲击式磨机。 1 2 课题的研究现状 磨矿设备按其用途可以分为两类”，一类是用于金属矿山、非金属矿山对矿 石进行磨矿的磨机，主要包括球磨机、棒磨机、自磨机和砾磨机等：另一类是用 于非金属产品和化工产品进行磨细的磨机，主要包括行星磨、离心磨、震动磨、 搅拌磨和胶体磨等。前者的主要特点是处理能力大，磨矿单位成本低，磨机运行 速度较慢。而后者的主要特点是处理能力小，磨矿产品细，磨矿单位成本高，磨 机运行速度一般比较快。 随着矿物加工工业和建材工业的发展，矿石的细磨、超细磨和快速磨矿已经 成为金属矿和非金属矿磨矿的重要发展趋势旺”2 ”。常规的球磨机、棒磨机和自磨 机已不能满足生产的需要，人们试图将应用于化工产品和非金属产品磨细的振动 磨、搅拌磨、气流磨和雷蒙磨等细磨和超细磨机应用于金属矿石的磨矿，但是其高 昂的成本使得矿物加工和建材行业因处理对象的附加值低而难以承受，同时这些 磨机在磨矿时磨机本身的磨损现象比较严重，所以尽管这方面的研究进行了很多 年，但收效甚微。另外，立足于球磨机、棒磨机和自磨机的优化、改造，以达到提 4 第一章绪论 高磨矿细度和磨矿速度的目的，已进行了大量的研究工作和生产实践，但由于这 些磨机受工作原理的限制，磨机处理能力和磨矿成本仍然是制约其广泛应用的两 个重要因素，因此研究具有新理论支撑的、结构新颖的、在常规磨矿成本范围内 能实现细磨、超细磨和快速磨矿的新型磨矿设备是目前国内外矿物加工领域研究 的热门话题。 应用于金属矿石和非金属矿石磨矿的球磨机、棒磨机、自磨机和砾磨机等， 其生产能力主要取决于磨机本身的容积，磨机单位容积的生产能力是一个定值， 要想提高磨机的生产能力，一个可行的办法就是增加磨机的容积，因此磨机的大 型化虽然能按比例提高磨机的处理能力，但却带来了这样那样的机械设计和机械 制造问题，这些问题对自磨机和半自磨机的影响更大，所以目前磨机的大型化存 在很多的困难。不增加磨机容积，而能大大提高磨机的生产能力变得尤为重要。 在磨矿生产过程中，磨机的生产能力随磨机转速的增加而增加，提高磨机转 速，可显著地提高磨机生产能力，但是当常规磨机的转速达到或超过某一值时， 其中的矿石和磨矿介质将发生离心运动，磨矿能力不但不随转速的迸一步增加而 增加，反而出现几乎不能磨矿的现象，这时磨机的转速就是临界转速。也就是说， 当常规磨机的转速超过临界转速时就不能有效磨矿。如果能突破这一临界转速， 使磨机的生产能力在临界转速以上仍然随磨机转速的增加而增加，这样就能达到 磨机小型化、生产能力大型化的发展目标，对于矿物加工、化工和建材等传统行 业的磨矿发展都将起到十分重要的作用。由昆明理工大学发明研制的超临速球磨 机“”克服了常规球磨机、棒磨机、自磨机和砾磨机等不能在临界转速以上有效磨 矿的不足，超临速球磨机筒体内采用矿石和介质流导向机构改变了常规球磨机内 被重力和离心力控制的介质和矿石流的运动轨迹，使矿石受到高速的和最大限度 的冲击和磨剥，很好地解决了常规球磨机在临界转速以上不能有效磨矿的问题， 使球磨机在临界转速以上的情况下仍然能够有效地进行磨矿，磨矿效率和磨矿速 度得到提高。超临速磨矿理论很早已有人提出，但目前国内外在这方面的研究 工作进行的还很不够，该理论还不成熟，还不能用于指导工业化生产，基于此昆 明理工大学在这方面做了不少研究工作，已就超临速球磨机进行了中、小型工艺 试验，取得了一定的成果，但要用于实际工业化生产，还必须对其进行设备方面 的研究，因为用于实际生产的工业用机要比试验用杌结构复杂，工况也有很大的 差别，鉴于此，本课题针对设备中可能存在的问题进行研究，并对磨矿介质的运 动学规律进行了探讨，针对性的提出自己的一些见解，为超临速球磨机的工业化 设计提供必要的理论基础。 5 昆明理工大学硕士学位论文 1 3 课题所用到的理论和软件 1 3 1 有限元法及其通用有限元软件 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，是计算力学中一种重要的方法，是 计算机辅助工程( c a e ) 中的一种，从其出现至今已经过了约半个世纪的发展。有限 元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，是现代力学、 计算数学和计算机技术等学科相结合的产物，在国民经济建设和科学技术发展中 发挥了巨大的作用。 一有限元法的基本思想n “”1 有限单元法的基本思想最早出现于2 0 世纪4 0 年代初期，直到1 9 6 0 年，美 国的克拉夫( r w c l o u g h ) 在一篇论文中首次使用“有限元法”这个名词。在2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，有限单元法在理论上基本成熟，并开始陆续出现商业 化的有限元分析软件。 有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元 中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同 时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以 表示单元中场函数的分布规律；进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解 节点未知量的有限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域 中的有限自由度问题。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可 以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。通常有限单元法都遵循 以下基本步骤： 物体的离散化：离散化是有限元法的基础，这就是依据结构的实际情况，选 择合适的单元形状、类型、数目、大小以及排列方式，将要分析的物体假想地分 成有限个区域或分块的集合体。假设这些单元在处于它们边界上的若干个离散节 点处相互连接，这些节点的位移将是该问题的基本未知参数。 选择形函数或插值函数；选择一组函数，通常是多项式，最简单的情况是位 移的线性函数。这些函魏应当满足一定条件，该条件就是平衡方程，它通常是通 过变分原理得到的，就可以由每个“有限单元”的节点位移唯一地确定该单元中 的位移状态。 确定单元的性质；确定单元性质就是对单元的力学性质进行描述。确定了单 元位移后，可以很方便地利用几何方程和物理方程求得单元的应变和应力。一般 用单元的刚度矩阵来描述单元的性质，确定单元节点力与位移的关系。 6 第一章绪论 组成物体的整体方程组：组成物体的整体方程组就是由已知的单元刚度矩阵 和单元等效节点载荷列阵集成表示整个物体性质的结构刚度矩阵和结构载荷列 阵，从而建立起整个结构的已知量一总节点载荷与整个物体未知量一总节点位移 的关系。 解有限元方程和辅助计算：引入强制边界条件，解方程得到节点位移。一般 整体方程组往往数量庞大，可能是几十个、几百个，甚至成千上万个，对于这些 方程组需要一定的计算数学方法解出其未知量，然后根据实际问题进行必要的辅 助计算。 完整的有限元分析流程如图1 1 所示。 图1 1 有限元分析流程圈 二通用有限元分析软件乜屯2 酗 大型工程结构求解方程组庞大，计算模型复杂，它的分析软件一般均由前后 处理器和分析求解器两个软件集成，并在两者之间常设有功能强大的软件接口， 目的是保持这两部分的相互独立性并方便与其它软件的连接。 图1 2 中给出了大型有限元分析软件的整体结构图，同时也反映了大型有限 元分析软件的操作过程和主要功能构成。 其中，前处理器的主要功能是：形成并提交求解器能识别的有限元模型数据 昆明理工大学硕士学位论文 文件，包括数据文件的输入输出功能，自动网格划分功能，生成几何图形功能和 图形显示及输出功能。因此，前处理器要处理如下数据文件：读写描述有限元模 型的数据文件，生成求解器可识别的输入数据文件，读写并记录各种操作的命令， 编辑过程文件等。求解器的主要功能是：对有限元模型形成的整体方程组进行计 算和分析，包括带宽优化、方程组求解方法的选取、确定收敛判断等。因此，它 是有限元的理论方法、计算方法和软件分析方法的结晶。 几 何 建 模 软 件 接 口 自 动 划 分 网 格 形 成 有 限 网 格 前处理器 添 加 载 蘅 知 约 柬 设 置 鱼 属 性 确 定 材 辩 特 性 形 成 数 据 文 件 递 交 敦 据 文 件 软 件 接 口 分 析 与 求 解 求解器 形 成 结 果 文 件 软 件 接 口 后处理 读 取 结 果 文 件 结 果 后 处 理 图i 2 有限元分析软件结构图 后处理的主要功能是；处理求解器分析后的结果，包括识别求解器生成的格 式化及非格式化结果文件，将结果写成各种常用的图形文件，还要以图形、动画、 曲线、表格和文件形式分别显示求解器分析后的结果等。 软件接口的主要功能是：读写可被其它的c a d c a e 软件识别的各种文件，实 现与其它c a d c a e 软件间的数据转换功能，使褥几何建模可以由第三方c a d c a e 软件来提供，如此增强了软件本身的健壮性。 目前，我国已引进的主要有限元分析软件由：s a p 5 、s a p 7 、s u p e r s a p 、a d i n a 、 a n s y s 、i d e a s 、p r o e 、n a s t r a n p a t r a n 、m s c m a r c 、n e n a s t r a n 以及f e m a p 等。下面简要介绍本论文采用的有限元软件一a n s y s 。 1 3 2 a n s y s 软件简介乜”删 a n s y s 公司是由美国著名力学专家、美国匹兹堡大学力学系教授j o h ns w a n s o n 博士于1 9 7 0 年创建发展起来的，总部设在美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，目前是世 界c a e 行业最大的公司a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大 s 第一章绪论 型c a e 通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、 机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻 工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。a n s y s 软件的主要功能包括建 立模型、结构分析、非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、接触分析、压 电分析、结构优化等。a n s y s 软件具有强大的计算功能，它已成为第一个能求解超 过l 亿自由度结构分析模型的工程仿真软件，使a n s y s 客户能求解航空发动机、 汽车、建筑设备和其他完整系统的模型。 a n s y s 软件的使用有两种模式，一是交互模式，另一是非交互式模式。交互模 式是通过点击屏幕菜单来实现模型的输入和分析，非交互模式是通过命令输入窗 口输入命令来实现模型的输入和分析，另一种非交互模式是直接读入文件来进行 运算分析。 a n s y s 软件含有一个前处理器，一个求解处理器，两个后处理器。前处理器允 许用户生成有限元模型，并规定在随后求解中的选择项。求解处理器用来施加载 荷及边界条件，然后求出模型对它们的响应。借助a n s y s 后处理嚣，用户可以检 索求解结果，并借以评估模型和执行感兴趣的其它运算，可见，a n s y s 分析由三个 阶段组成：前处理阶段、求解阶段和后处理阶段。 1 前处理模块( p e r p 7 ) 前处理阶段定义求解所需的数据。用户选择坐标系和单元类型，定义常数和 材料特性，生成实体模型和划分网格，控制节点和单元，以及定义耦合和约束方 程。在前处理中，运行统计模块能计算出预期的波前、文件大小和内存要求。在 a n s y s 软件中，生成模型有两种不同的方法：实体建模和直接生成。 ( 1 ) 实体建模。a n s y s 前处理的实体建模能力允许用户直接同模型的几何特性 打交道，而不必关心有限元模型的特定属性( 节点和单元) 。为了减轻模型生成的 困难，该软件把几何特性和边界条件的生成分开进行，首先由用户描述实体模型 的几何结构，然后有程序模块对最终的模型划分网格，以确定节点位置和单元连 接。a n s y s 中把图元分为几个等级，由低到高依次是：点、线、面、体。高级图元 由低级图元构成。所以实体建模有两种方法：自顶向下和自底向上。t l 顶向下建 模时，甩户只要构建一个模型的最高图元，则组成此高级图元的低级圈元自动生 成。自底向上建模则是从低级图元依次向上构建模型：即用户首先定义关键点， 然后依次是相关的线、面、体。自顶向下和白底向上两种建模方法可以根据需要 自由组合，具有很大的灵活性，而且无论使用何种方法建模，用户均能使用布尔 操作来组合数据集( 如相交、相减和合并等) ，从而雕塑出一个实体模型。a n s y s 昆明理工大学硕士学位论文 还提供了拖拉、拉伸、旋转、移动或拷贝实体模型图元的功能。 ( 2 ) 模型直接生成。借助于直接生成方法，在a n s y s 前处理中，能通过详细 说明每个节点的位置及每个单元的太小、形状和连通性来定义模型。许多命令可 以让用户方便地拷贝、反射，按比例缩放一组给定节点和单元。直接生成法适合 于线模型及有规则几何形状的简单模型。然而对于大而复杂的模型。推荐使用直 观的实体建模法。 a n s y s 允许用户在两种建模方法之间来回切换，根据需要采用不同手段灵活定 义模型的不同部分。此外，a n s y s 还提供较为灵活的图形接口及数据接口。因而， 利用这些功能，可以实现不同分析软件之间的模型转换。例如：a u t o c a d 图形文件 可以转化成i g e s 格式，由a n s y s 直接读取，a n s y s 与p r o e 、u g i i 有直接的接口， 图形文件可以相互转换。 2 。求解模块( s o l u t i o n ) 在前处理阶段完成模型构建后，到求解阶段可获得该分析的求解。在此阶段， 用户能指定分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。 规定分析类型，即指出求解该问题应使用哪些控制方程。载荷数据和约束构成有 限元模型的边界条件。载荷数据包括：自由约束点、点载荷、面载荷、体载荷和 惯性载荷。每一种载荷设置称为载荷步，而任何分析均可由一个或多个载荷步组 成。载荷步选项用来设置输出控制，收敛性控制及对每一载荷步的通用载荷控制。 指定的约束限制了所选节点上可用的自由度，求解阶段的其它特性允许用户改变 材料特性和实常数；重新激活或不激活单元；指定自由度：以及定义间隙条件。 指定了适当的求解准则后，就可以进行求解。用户能命令程序针对所选择的 分析类型求解控制方程并计算出结果。a n s y s 提供了波前求解处理器、有条件共轭 剃度( p c g ) 求解器、j a c o b i 共轭剃度( j c o ) 求解器以及一些专用求解处理器。 3 后处理模块( p o s t i 和p o s t 2 6 ) 在a n s y s 的后处理阶段，用户可以容易获得求解阶段的计算结果并对其进行 运算。由于后处理阶段完全同前处理阶段和求解阶段集成在一起，故求解结果已 存于数据库并可以立即查看。后处理阶段访问数据集的方法有两种：一是用通用 后处理器p o s t l 查看整个模型或模型某一部分中任意一个特定数据集的结果；二 是用时间历程后处理器p o s t 2 6 跨多个数据集查看部分模型的时阅历程数据。 通用后处理器可以用来检查任何a n s y s 分析类型的分析结果。数据集里的数 据可以选择、分类、算术运算、同另一子步的数据集组合、列表或图形显示。一 旦获取了所希望的后处理数据，就可以以图形的方式显示。颜色等值线能展示出 1 0 第一章绪论 结果( 如应力应变) 在模型上的变化情况。使用数据查询功能，在结果图上用鼠 标拾取网格的子格点，可得出该点的结果数据。 时间历程后处理器用于查看在一个时闯段或子步历程中的结果如节点位移、 应力或支反力。这些结果能通过图形绘出或列表查看，例如可以用来绘制时间一 位移曲线，这一功能对瞬态动力学分析和瞬态热分析特别有用。 另外，p o s t 2 6 还可以进行曲线的代数运算，变量间可以加、减、乘、除生成 新曲线，也能进行其它操作，如取绝对值、平方根等，对曲线进行微分或积分可 以产生其它曲线，如速度、加速度曲线，p o s t 2 6 还可以从时间历程结果生成响应 谱。 a n s y s 9 0 版本已由a n s y s 公司正式推出，a n s y s9 0 在w o r k b e n c h 平台下融 合了更多的a n s y s 的核心技术，提供了这些产品集成化的解决方案，提高了用户 的生产力 3 0 3 1 。w o r k b e n c h9 0 是第一个除结构分析能力外，又具备电磁分析能 力、以及业界领先的c f d 及网格划分技术( c f x 和i c e mc f d ) 的a n s y s 软件版本。 并且，w o r k b e n c h9 0 还丰富了材料库，兑现了a n s y s 公司对用户的承诺，也就是， 针对市场提供集成化、模块化、可扩展的工程仿真解决方案。a n s y s9 0 在 w o r k b e n c h 平台上开辟了整合核心技术的新天地。进一步提高了生产率及不周场的 集成化的解决方案。参数建模、c a d 数据处理、工程数据处理、先进的6 s i g m a 工 具、低频电磁领域、非线性分析以及鲁棒性设计功能等诸多方面均获增强。 1 4 课题的主要研究内容及其研究意义 1 4 1 本课题的研究意义 研究新型磨矿设备对磨矿作业越来越重要，发展大型化、节能、细磨和超细 磨设备是磨矿设备的发展趋势。目前我国在球磨机制造总体水平和设备综合性能 方面与国外先进水平相比，还有一定的差距，我国制造大型球磨机存在的主要问 题是传动系统如联轴器、大齿轮、主轴承的制造水平和质量都不高。在球磨机的 传动方式，大型球磨机的启动，衬板的更换装置，自动化控制，耐磨材料应用等 方面还存在着差距。因此，在不放大客机尺寸的同时，研制能耗低、效率高、适 应各种磨矿要求的磨机是适合我国国情的，昆明理工大学研制的超临速球磨机就 是其中之一，这是本论文要研究的对象。 超临速球磨机是基于超重力理论工作的新型磨矿设备，其磨矿机理和常规球 磨机有较大的不同。超临速球磨机是在超过临界转速的情况下进行磨矿作业，其 l l 昆明理工大学硕士学位论文 导向机构改变了矿石和磨矿介质的运动轨迹，使矿石和磨矿介质按照设计的抛物 线轨迹运动。在磨矿作业过程中，导向机构受到矿石和磨矿介质的剧烈冲击，其 受力交形、应力应变状况由于球磨机简体封闭在外面很难被直接测试和分析，一 旦球磨机导向机构破坏，超临速磨矿也就不存在了，所以有必要对其在磨矿过程 中的受力变形、应力应变状态进行分析，用a n s y s 软件对其在不同转速情况下进 行分析，找出其薄弱部位，为超临速球磨机工业化设计提供理论依据。超临速球 磨机生产效率跟常规球磨机相比有大幅度提高，但其磨矿介质运动学和常规球磨 机磨矿介质运动学有很大不同，鉴于此，通过对超临速球磨机中磨矿介质和矿石 运动规律进行分析，初步探索出一种新的磨矿运动学理论，用于指导超临速球磨 机的工业化设计和制造。 1 4 2 本课题的研究内容 由于超临速球磨机是二- 个全新的磨矿设备，因而完全有必要对其进行深入、 全面的研究，所以本论文主要从以下几个方面对超临速球磨机进行研究。 1 对超临速球磨机导向机构进行设计并对超临速球磨机进行数字化建模。 2 用a n s y s 软件对超临速球磨机导向机构在最大工作载荷时，不同转速条件 下进行受力变形、应力应变分析。 3 对超临速球磨机磨矿介质运动学规律进行探讨。 主要结论；对导向机构进行设计，得出导向机构的设计参数，并分析出导向 机构在超临速球磨机磨矿过程中不同转速时的受力变形、应力应变状况，并和实 际情况进行比较分析，探讨出超临速球磨机磨矿介质运动学规律，得出对超临速 球磨机工业化设计有指导意义的参数、公式。 第二章相关理论介绍 第二章相关理论介绍 2 1 有限单元法的提出和应用阻2 “们 工程计算中，由于传统的计算方法不仅经常因人为运算疏忽造成错误外，而 且在先天上，将几何结构及边界条件过于简化，使得计算结果常与实际上有极大 的出入，因此参考价值有限有限单元法正是基于工程的实际需要而产生的。有 限单元法的基本思想早在2 0 世纪4 0 年代初期就有人提出，但真正用于工程中则 是在电子计算机出现后。“有限单元法”这一名称是1 9 6 0 年美国的克拉夫 ( r w c l o u g h ) 在一篇为“平面应力分析的有限元法”论文中首先使用的。4 0 多年 来，有限单元法的应用已由弹性力学平蘑闯题扩展到空阅闯题、板宠问题，由静 力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩 展到粘弹性、粘塑性和复合材料，从圆体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等 领域。经过4 0 多年的发展不仅使各种不同的有限元方法形态相当丰富，理论基础 相当完善，而且已经开发了一批使用有效的通用和专用有限元软件，使用这些软 件已经成功地解决了机械、土建、物理、力学、冶金、造船、宇航、核能、地震、 物探、气象、水文、桥梁、电磁学等领域众多的大型科学和工程计算难题，有限 元软件已经成为推动科技进步和社会发展的生产力，并且取得了巨大的经济和社 会效益。 目前，有限单元法在国内外得到了广泛的应用。在国内太原理工大学土木系 结构分析工作站，在李珠博士( 教授) 领导下的课题组采用a n s y s 软件成功地对 圈2 1 国家大