（机械制造及其自动化专业论文）基于ansys的滑履磨机的结构应力分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 粉磨是水泥生产工艺中的主要环节。通常所说的水泥厂工艺“两磨一烧” 中就有两个环节是粉磨，即生料粉磨和水泥粉磨：此外，还有煤粉制备也是使 用粉磨工艺。 现在水泥行业通常使用的粉磨设备主要有三种：球磨机、立磨和辊压磨。 球磨机是最早用于水泥工厂的一种粉磨设备，其生产工艺已经很成熟，目前国 内多数水泥厂使用此种配置。球磨机作为一种应用非常广泛而且十分重要的生 产机械，日益向大型化，自动化及复杂化发展，而为了提高产量而设计开发的 磨机则以滑履磨机为主。滑履支承球磨机，它是通过紧固在简体上的滑环支承 在托瓦上运转的。滑履支撑装置是滑履磨机整个结构中最重要的一部分。由于 其结构复杂，所以比较容易出故障。这样的关键设备一旦发生故障，往往会给 生产带来巨大的影响，常常由于对故障的出现值估计不足，致使企业蒙受较大 的经济损失，每年企业为了保证其正常运转的维修费用，在企业的经营费中占 有很大的比例。要解决滑履磨机工作过程中的实际问题，势必对滑履磨机的工 作状况有一个全面清楚的认识，这样做出的分析才是科学有效的。在这样的分 析当中，尤其是要确定其简体应力。而生产过程中滑履磨机容易出现问题的地 方又多是滑履支承部分，这样一来，对滑环、托瓦及其之间的接触分析就显得 极为重要。 理论的研究是为了应用于实践。目前，利用有限元进行数值模拟是一种较为 成熟的方法，本文就是从这个角度出发，针对中材建设有限公司的巾4 6 x 1 4 m 滑 履磨机来展开分析和研究的。本文对滑履磨机的工作状态进行了详细的分析， 然后利用当前通用的大型有限元软件a n s y s 对简体进行模拟，滑环表面和托瓦 表面之间形成接触对进行求解计算。利用有限元丰富的前后处理功能，特别是在 有限元后处理中的计算结果可视化绘制了筒体应力及节点位移等各种云图，以及 滑履与托瓦之间的接触应力解。通过磨机的应力位移结果，对滑履磨机的危险部 位进行分析，从而减少磨机生产过程中的故障率，更加有利于企业的生产。 关键词：滑履磨机；简体；应力分析：接触应力 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w d e r sw h e t t i n gi st h ev i t a ll i n kw i t h i nc r a f to f t h ec e m e n tp r o d u c t i o n u s u a l l y ”t w ow h e tab u r n ”o ft h ec e m e u tw o r k sc r a rs a i di nh a v et w ol i n k sa r eap o w d e rt o w h e t , t h e n 丘e s hm a t e r i a lp o w d e r a n dc e m e n tp o w d e r ；a l s oh a v i n gc o a lp o w d e rt h e m a k i n gi na d d i t i o ni su s e t h ep o w d e rg r i n d e r ss k i l l t h ec e m e n ti n d u s t r yu s u a l l yu s e sn o wo f t h ep o w d e rw h e te q u i p m e n t st om a i n l y h a v et h r e ek i n d s ：1 1 h a l lr a i l la n dv e r t i c a lm i l la n dh o r i z o n t a lm i l l b 棚m i ui sa k i n do fp o w d e rw h i c hu s e df o rc e m e n tf a e t o r ya tt h ee a r l i e s ts t a g e ，i t sp r o d u c t i o n c r a f ta l r e a d yv e r ym a t u r e t h el o c a la n dm o s tc e m e n tw o r k su s et h i sk i n dt oi n s t a l l c u r r e n t l y t h eb a l l m i l li sak i n dt oa p p l yv e r y e x t e n s i v e l ya n dv e r yi m p o r t a n t p r o d u c t i o nm a c h i n e ，i n c r e a s i n g l yt ol a r g et u r n , a u t o m a t i o na n dc o m p l i c a t i o n d e v e l o p m e n t , b u tf o rt h es a k eo fe x a l t a t i o ny i e l db u td e s i g n d e v e l o po fm i l lm a c h i n e t h e ns l i d i n gs h o e sm i l lf o rl o r d t h es l i d i n gs h o e sm i l l ，i ti sp a s ss l i d i n gb yt i g h t l y s o l i di nt h es h e l lt or e v o l v ei ns h o e s 1 1 l es l i d i n ga n ds h o e sd e v i c ei st h em o s t i m p o r t a n tp a r ti nt h ew h o l e s t r u c t u r eo f m i l l i t ss t r u c t u r ei sc o m p l i c a t e d ，s ot h ee a s i l y b r e a k sd o w n s u c ho f k e ye q u i p m e n t so n c et h eo c c u n c n c eb r e a k sd o w nu s u a l l yb r i n g h u g ei n f l u e n c e ，a n du s u a l l yc 勰b u s i n e s se n t e r p r i s es u f f e rb i g g e re c o n o m yl o s s ， b e c a u s eo fe m e r g e n c ev a l u eo fm a i n t a i n i n gb r e a k d o w ne s t i m a t es h o r t a g e t or e s o l v e s l i d i n gs h o e sm i l lw o r ka c t u a lp r o b l e mw i t h i np r o c e s s ，w en e e dr o u n d l ym a s t e r yt h e w o r kc o n d i t i o no ft h em i l l ，s om a k et h ea n a l y s i so fi ss c i e n c ev a l i d i nt h i s a n a l y s i s , w en e e dt om a k es q l r ei t ss h e l ls t r e s sc o n d i t i o n a n dt h es l i d i n ga n ds h o e s a r et h ep l a c et h a te a s i l ya p p e a r ss o m ep r o b l e m s s oi ts e e m st ob ee x t r e m e l y i m p o r t a n tt oa n a l y s i st h ec o n t a c tb e t w e e nt h es l i d i n ga n ds h o e s 1 1 l er e s e a r c ho f t h e o r i e si sf o rt h es a k eo f a p p l i c a t i o ni np r a c t i c e c u r r e n t l ym a k e 眦o f af i n i t ee l e m e n tm e t h o dt oc a r r yo nn u m b e re m u l a t i o ni sak i n do f m o r em a t u r e m e t h o d t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sa b o u td4 6x1 4m s l i d i n gs h o e s m i l lo f c b m ic o n s n m c n 0 n c o ，l t d i nt h i sp a p e r ，ad e t a i l e da n a l y s i sf o rs t a t e o f t h es l i d i n gs h o e sm i l li sc a r r i e do nf i r s t l y , t h e nt h es t r e s so f t h em i l lw a sa n a l y z e d i i 武汉理工大学硕士学位论文 a n dc a l c u l a t e db yt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nm e t h o d m o r e o v e r , af i n i t ee l e m e m s i m u l a t i o nt ot h em i l ls h e l la n dt h ec o n t a c ta n a l y s i sb e t w e e nt h es l i d i n ga n ds h o e s w g t ed o n eb yu s i n gt h ef m d t ee l e m e n ts o f t w a r e - a n s y sw h i c hw a sm o s tp o p u l a ra t p r e s e n t t h a tw a sa i m i n ga tt h es t r e s so ft h es l i d i n gs h o e s m i l ls h e l l w i t hi t ss t r o n g f u n c t i o no fp o s tp r o c e s s o r , v a r i o u sk i n d so fc o l o r e da t l a s e sa b o u ts t r e s sa n d d i s p l a c e m e n tw e r ep r o t r a c t e d w ec a n f b r e c a s ti t sd a n g e r o u sp l a c ea c c o r d i n gi t ss t r e s s n u m e d c i t 啪r e d u c eb r e a k d o w nl a t eo ft h em i l li np r o d u c t i o n a n dhb e n e f i t s p r o d u c t i o ni nt h ei n d u s t r y k e yw o r d j ：t h es l i d i n gs h o e sm i l l ，s h e h ，s t r e s sa n a l y s i s ，t h ec o n t a c tc o m p 嘲 i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 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。 签名：芝旦堕日期：1 2 ：点：堡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 里旦塑导师签名：也业迦日期：立西k 扩 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的来源 第1 章绪论 本课题来源于中材建设有限公司的大型滑履磨机结构优化及筒体焊接工艺 的研究项目。 1 2 课题研究的目的和意义 粉磨【l 】是水泥生产工艺中的主要环节。通常所说的水泥厂工艺“两磨一烧” 中就有两个环节是粉磨，即生料粉磨和水泥粉磨；此外，还有煤粉制备也是使 用粉磨工艺。 现在水泥行业通常使用的粉磨设备主要有三种：球磨机、立磨和辊压磨1 2 。 球磨机是最早用于水泥工厂的一种粉磨设备，其生产工艺已经很成熟，目前国 内多数水泥厂使用此种配置。球磨机作为一种应用非常广泛而且十分重要的生 产机械，日益向大型化，自动化及复杂化发展，两为了提高产量而设计开发的 磨机则以滑履磨机为主。这样的关键设备一旦发生故障，往往会给生产带来巨 大的影响，常常由于对故障的出现值估计不足，致使企业蒙受较大的经济损失， 每年企业为了保证其正常运转的维修费用，在企业的经营费中占有很大的比例。 要解决滑履磨机工作过程中的实际问题，势必对滑履磨机的工作状况有一个全 面清楚的认识，这样做出的分析才是科学有效的。在这样的分析当中，尤其是 要确定其筒体应力。而生产过程中滑履磨机容易出现问题的地方又多是滑履支 承 3 1 部分，这样一来，对滑环、托瓦及其之间的接触分析就显得极为重要。理 论的研究是为了应用于实践。目前，利用有限元进行数值模拟是一种较为成熟的 方法，本文就是从这个角度出发，针对中材建设有限公司的们6 x 1 4 m 滑履磨机 来展开分析和研究的。本文对滑履磨机的工作状态进行了详细的分析，然后利 用当前通用的大型有限元软件a n s y s 对筒体进行模拟，滑环表面和托瓦表面 之间形成接触对进行求解计算。利用有限元丰富的前后处理功能，特别是在有 限元后处理中的计算结果可视化绘制了简体应力及节点位移等各种云图，以及 武汉理工大学硕士学位论文 滑履与托瓦之间的接触应力解。通过磨机的应力位移结果，对滑履磨机的危险 部位以及故障发生进行预测，从而减少磨机生产过程中的故障率，更加有利于 企业的生产。 1 3 滑履磨机筒体应力研究的发展现状 随着计算机技术和计算方法的发展，对球磨机的分析研究也日益丰富成熟。 当磨机正常运转时，磨球被提升到一定高度后抛落，以一定的速度对物料 产生冲击而粉碎物料，同时也对磨球和衬板自身产生冲击，这可能造成磨球和 衬板的破碎开裂，因此，磨球冲击应力有两方面的重要性，一方面是从破碎角 度而言，磨球冲击力的大小决定了粉碎效率；另一方面则从降低磨球和衬板在 使用中的破碎率而言，磨球冲击应力的大小是磨球和衬板选材的一个重要依据。 钟恢扬等人【4 】经过理论分析和实际观察，认为必须考虑冲击应力对球磨机筒体 结构强度的影响，并提出了防止冲击应力损伤简体的一定措施。 然而，工程上对球磨机磨球冲击应力的大小始终缺乏准确的认识，这是由 于从实际运转球磨机中测量磨球的冲击应力十分困难，因为测量时简直无法进 行准确记录。美国c l i m a xm o l y b d e n u m 公司的d j d u n n 和g m a r t i n 设计了一 套繁复的实验来测量磨球冲击应力，他们用加速度计记录最大加速度，再计算 出冲击应力。但是，当冲击速度较大时，由于冲击作用时间短于加速度计的应 答时间，加速度计记录不下来。清华大学的许根华，刘英杰等人【5 】提出了一种 简单易行的应力测定方法，不需要特别的仪器设备，不受冲击速度的限制，可 以确定不同直径磨球在不同直径球磨机中不同磨料情况下的冲击应力。 在计算球磨机应力时，传统的办法是采用类比方法或凭经验，文献【6 】在计 算筒体强度时将简体简化为简支梁，按平面弯曲和扭转组合变形来计算。显然 这种方法是非常粗略的。这是因为球磨机直径和长度相差不大，不符合简支梁 的假设，而且简体是一种板壳结构，其应力应变行为比较复杂。 有限单元法【7 叫是2 0 世纪中叶在电子计算机诞生之后，在计算数学、计算 力学和计算工程科学领域里诞生的最有效的计算方法。其基本思想是将问题的 求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部点的待求量可由 平衡关系或能量关系建立节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状 简单，易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个单元 武汉理工大学硕士学位论文 方程“组集! 在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件后即可对方程组求解。 经过4 0 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。目前，有限 元数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到了广泛的应用。利用有限元方法 来进行数值模拟，对球磨机筒体强度进行校核，之前的科技工作者已经进行过， 例如罗贤海、冯浩、冯景华等人在资料i l0 】中阐述了这种分析工作。他们采用大 型通用有限元软件一a n s y s 对1 4 吨球磨机进行了应力计算，得到了球磨机 的变形及应力分布，指出了危险截面及应力大小，其分析结果表明球磨机的强 度分析不能简单的采用梁模型。同时a n s y s 具有丰富的前后处理功能，特别 是在后处理中计算结果可视化，可直接观察变形，位移的彩色云图，各种相关 应力的彩色云图，多种工况的计算可一步完成，而且模型一旦建立以后，可很 方便地修改其局部结构，使结构逐步达到最优。所以这种方法已经越来越为广 大工程技术人员所接受。陈黎明在文献【l l 】中也应用a n s y s 对球磨机进行了简 体应力的三维有限元分析，并且通过结合断裂力学理论对其剩余寿命进行了预 测研究。黄立等人在文献1 1 2 】中也应用a n s y s 对3 0 吨陶瓷球磨机的应力应变进 行了静强度和疲劳强度的校核。 尽管之前的这些科技工作者对球磨机的筒体应力进行了研究，但这些研究 都是针对主轴承支承的球磨机而言的。由于磨机向大型化发展，使轴承负荷愈 来愈大，特别是烘干兼粉磨的磨机，其进料口大，而且热气流温度高，主轴承 已不能适应，这就产生了滑履支承。滑履支承球磨机，它是通过紧固在简体上 的轮带支承在滑履上运转的。滑履支撑装置是滑履磨机整个结构中最重要的一 部分。由于其结构复杂，所以比较容易出故障。滑履瓦温度高1 1 3 j 在国内是一个 老问题，而滑环由于尺寸大，铸造、锻造不容易实现，目前通常使用焊接结构， 且其与简体连接在一起，承受着整个磨机的重量，这样一来，对焊接工艺及结 构设计都提出了新的课题。而近几年在应用中也发现有磨筒体出现裂纹的事故。 因此，目前针对滑履支承球磨机的研究主要在改进简体及滑环的焊接工艺、热 处理及加工工艺，以及通过添加隔热材料等措施解决滑履瓦的温升问题。王中 成在文献【“】中就是针对这些问题，从实践出发，通过对磨机润滑原理及磨机焊 接工艺进行分析，采取了相应的技术措施，同时也为磨机设计与制造提供了很 好的借鉴。综上所述，可看出目前关于滑履磨机的筒体应力的模拟，尤其是包 括人孔处，以及滑环和托瓦之间的接触部分的求解方面所做的研究还较少，还 武汉理工大学硕士学位论文 不够成熟。 1 4 论文所做的主要工作 论文所做的主要工作包括以下四个方面： 1 根据测试数据与工程图纸，对滑履磨机的工作状态进行分析，特别对滑 环表面和托瓦表面之间形成接触进行了较为详尽的分析，建立几何模型，为接 下来的模拟研究工作奠定基础。 2 利用有限元分析方法采用大型通用有限元分析软件a n s y s 对i p 4 6 x 1 4 m 滑履磨机筒体和滑环、托瓦进行网格划分，建立滑环与托瓦之间接触对，利用 面面接触分析模式，建立符合实际的滑履磨机的有限元模型。 3 对简体，包括人孔处的受力状况进行分析，得出其应力分布及变形云图； 并分析研究了滑履支承部分的滑环、托瓦的受力及其之问的接触问题，根据其 得出的计算结果，分析其应力、应变规律。 4 采用a p d l 语言进行参数化建模，可通过改变相应图纸参数方便地迸行 其它类似磨机的模型建立及分析。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章a n s y s 有限元建模方法 2 1 有限单元法简介 在科学技术领域内，对于许多力学问题和物理问题，人们已经得到了它们 应遵循的基本方程( 常微分方程或偏微分方程) 和相应的定解条件。但能用解 析方法求出精确解的只是少数方程性质比较简单，且几何形状相当规则的问题。 对于大多数问题，由于方程的某些特征的非线性性质，或由于求解区域的几何 形状比较复杂，则不能得到解析的答案。这类问题的解决通常有两种途径。一 是引入简化假设，将方程和几何边界简化为能够处理的情况，从而得到问题在 简化状态下的解答。但是这种方法只是在有限的情况下可行，因为过多的简化 可能导致误差很大甚至错误的解答。因此人们多年来寻求和发展了另一种求解 途径和方法一数值解法。特别是近三十多年来，随着电子计算机的飞速发展和 广泛应用，数值分析方法已成为求解科学技术问题的主要工具。 已经发展的数值分析方法【1 5 1 可以分为两大类。一类以有限差分法为代表。 其特点是直接求解基本方程和相应定解条件的近似解。一个问题的有限差分法 求解步骤是：首先将求解域划分为网格，然后在网格的结点上用差分方程近似 微分方程。当采用较多的结点时，近似解的精度可以得到改进。借助于有限差 分法，能够求解某些相当复杂的问题。特别是求解建立于空间坐标系的流体流 动问题，有限差分法有自己的优势。因此在流体力学领域内，它至今仍占支配 地位。但用于几何形状复杂的问题时，它的精度将降低，甚至发生困难。 另一类数值分析方法是首先建立和原问题基本方程及相应定解条件相等效 的积分提法，然后据之建立近似解法。如果原问题的方程具有某些特定的性质， 则它的等效积分提法可以归结为某个泛函的变分。相应的近似解法实际上是求 解泛函的驻值问题。m t z 法就属于这一类近似方法。上述不同方法在不同的领 域或类型的闯题中得到成功的应用。但是也只能限于几何形状规则的问题。其 基本原因是：它们都是在整个求解区域上假设近似函数。因此，对于几何形状 复杂的问题，不可能建立合乎要求的近似函数。而有限单元法的出现，是数值 分析方法研究领域内重大突破性的进展。 武汉理工大学硕士学位论文 有限单元法的基本思想i l6 】是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一 定方式相互联结在一起的单元的组合体。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。 有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的 近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常 由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。这样 一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个结点上的数值 就成为新的未知量( 也叫自由度) ，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散 的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个 单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目 的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的 提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将 收敛于精确解。 从应用数学角度来看，有限单元法基本思想的提出【1 7 】，可以追溯到c o u r a n t 在1 9 4 3 年的工作，他第一次尝试应用定义在三角形区域上分片连续函数和最小 位能原理相结合，来求解s t v e n a a t 扭转问题的正确解答。一些数学家、物理学 家和工程师由于各种原因都涉足过有限单元的概念。但只是到1 9 6 0 年以后，随 着电子数值计算机的广泛应用和发展，有限单元法的发展速度才显著加快。 现代有限单元法第一个成功的尝试，是将刚架位移法推广应用于弹性力学 平面问题，这是t u r n e r ，c l o u g h 等人在分析飞机结构时于1 9 5 6 年得到的成果。 他们第一次给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确解答。三角形单元的 单元特性是由弹性理论方程来确定的，采用的是直接刚度法。他们的研究工作 打开了利用电子计算机求解复杂平面弹性问题的新局面。1 9 6 0 年c l o u g h 进一 步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”的名称，使人们开始认 识了有限单元法的功效。 从确定单元特性和建立求解方程的理论基础和途径来说，正如上面所提到 的t u r n e r ，c l o u g h 等人开始提出有限单元法时是利用直接刚度法。它来源于结 构分析的剐度法，这对我们明确有限单元法的一些物理概念是很有帮助的，但 是它只能处理一些比较简单的实际问题。1 9 6 3 1 9 “年，b e s s e l i n g ，m e l o s h ， j o n e s 等人证明了有限单元法是基于变分原理的r i t z 法的另一种形式，从而使 础t z 法分析的所有理论基础都适用于有限单元法，确认了有限单元法是处理连 6 武汉理工大学硕士学位论文 续介质问题的一种普遍方法。利用变分原理建立有限元方程和经典r i t z 法的主 要区别是有限单元法假设的近似函数不是在全求解域而是在单元上规定的，而 且事先不要求满足任何边界条件，因此它可以用来处理很复杂的连续介质问题。 从6 0 年代后期开始，进一步利用加权余量法来确定单元特性和建立有限元求解 方程。有限单元法中所利用的主要是g a l c r k i n 法。它可以用于已经知道问题的 微分方程和边界条件、但是变分的泛函尚未找到或者根本不存在的情况，因而 进一步扩大了有限单元法的应用领域。 三十多年来，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、 板壳问题。由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对 象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到 流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核 扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合。可以预计，随着现代力学、 计算数学和计算机技术等学科的发展，有限单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，必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥 更大的作用，其自身亦将得到进一步的发展和完善。 把物理结构分割成不同大小、不同类型的区域，这些区域就称为单元。然 后推导出每一个单元的作用力方程，组集成整个结构的系统方程，最后求解该 系统方程，就是有限元法。简单地说，有限元法是一种离散化的数值方法。离 散后的单元与单元间只通过节点相联系，所有力和位移都通过节点进行计算。 对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、子域分界上 定义接触面 ( 6 ) 设置单元关键字和实常数 ( 7 ) 施加必须的边界条件 ( 8 ) 定义求解选项和载荷步 ( 9 ) 求解接触问题 ( 1 0 ) 查看结果 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章滑履磨机有限元模型的建立 4 1 磨机筒体的应力计算思路及基本假设 4 1 1 磨机筒体的应力计算基本思路介绍 本文中，磨机简体应力的有限元法计算的基本思路和步骤可归纳如下： 1 蘑机简体离散化 按照有限元计算方法，首先建立筒体的实体模型，然后将简体离散为各种 单元组成的计算模型，即对简体进行单元剖分。离散后单元与单元之间通过节 点连结。 2 简体单元特性分析 根据筒体单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找 出简体单元节点力和节点位移的关系式，应用弹性力学中的几何方程和物理方 程来建立力和位移的方程式。 3 ，筒体单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联接起 来，形成整体的有限元方程 g q = f( 4 - 1 ) 式中，k 是整体结构的刚度列阵；q 是节点位移列阵；f 是载荷列阵。 4 求解计算 解有限元方程式( 4 一1 ) 得出位移。若需要计算应力，则在计算各单元的节点 位移后即可求出相应的节点应力。 4 1 2 磨机抛落式工作状态下的几个假设 当磨机工作时，由于离心力和摩擦力的作用，球与筒体一起运动。任何一 层的运动轨迹为以简体中心为中心，以r 为半径( 球所在回转层的半径) 的圆周。 但球与筒体一起转动而被提升到一定高度以后，因球的离心力小于球的向心力， 此时，球就以初速度v ( 简体的圆周速度) 离开简壁作抛物线运动，下落后，重又 回到圆的轨迹上。在运转过程中，球在磨机内既按圆与抛物线的轨迹周而复始 武汉理工大学硕士学位论文 地运动着。 本文中为了使研究简化，现作如下假定： l 、在轴向各个不同的垂直断面上，钢球的运动状况完全相似： 2 、球与筒壁及球与球间无相对滑动： 3 、略去钢球的直径不计，因此外层球的回转半径可以用简体的内半径表示。 4 1 3 模型结构简化假设 本磨机采用板壳焊接结构，为了不使问题过于复杂，同时保证计算精度， 合理的结构简化将有助于提高计算效率。本文做如下假设： l 、所有焊缝处不允许出现裂缝、虚焊等焊接缺陷。 2 、两端支撑部件有足够大的刚性，视为刚性支座。 3 、各人孔处有足够大的刚性，不考虑其变形。 4 、不考虑内衬的作用。 4 2 滑履磨机有限元模型的建立 本文所针对计算的滑履磨机总体尺寸为p 4 6 x 1 4 m ，采用四托瓦双滑履支 承，磨机转速为1 5 r m i n ，研磨体最大装载量为2 8 5 t 4 2 1 进入建模环境 确定工作文件：名( j o b n a m e ) 、分析标题( t i t l e ) 。 4 2 2 进入前处理器 4 2 2 1 定义单元类型 这一部分往往是一个分析的难点【2 ”，因为a n s y s 软件为了不同的工程需 要共提供了两百种左右的单元类型，如何在这么多的单元种类中选择出既满足 分析的精度又不过分耗费计算机资源的单元类型( 这是一个优化的过程) 是关 键。在选择单元类型的过程中需要了解各种单元类型的节点数，每个节点的自 由度数，还要估计建立模型大概会产生多少单元以及节点数，因为节点数( n o d e n u m b e r ) x 自由度数( d o f s ) 就是在求解时矩阵方程的阶数。无疑地，矩阵方 程越大对计算机硬件的要求就越高，如果不能很好地处理分析的精度、单元数 武汉理工大学硕士学位论文 和单元类型的关系，有的工程分析在实际中( 由于计算机硬件的限制) 往往是 不可能进行的。结合本课题分析( 分析的对象主要是筒体钢板) ，在综合考虑分 析的精度、单元数和单元类型后，最后决定主要是用实体单元( s o l i d ) 来模拟。 即将磨机简体、滑环、托瓦均采用三维实体单元( s o l i d 4 5 ) ，在滑环和托瓦的接 触表面分别采用接触单元( e o n t a l 7 4 ) 和目标单元( t a r g e l 7 0 ) ，形成接触对。 以下分别介绍所采用单元类型。 l 、s t r u c t u r a ls o l i d3 ds o l i d 4 5 ( z 维实体单元1 簟元坐樟 焉坑 一 四面俸簟元 图4 1s t m e m r a ls o l d 4 5 单元 如图4 - l 所示的s t r u c t u r a ls o l i d3 ds o l i d 4 5 ( = 维实体单元) 用于模拟简体 和滑环、托瓦实体。 s t r u c t u r a ls o l i d3 ds o l l 0 4 5 ( - - - 维实体单元) 【冽具有八个节点，每个节点 具有x ，y ，z 方向移动自由度。此单元可以支持塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、 大变位和大应变。 此单元有两种形函数，在本文中应用此单元的不具有e s f 的形函数，此 形函数为： r 图4 - 2 三维六面体单元 p u x 要孤 武汉理工大学硕士学位论文 = ；【h ，( 1 一j x l f x i 一，) + 脚，t l 十掌x l 一，) ( i 一，) + i t r j + s x l + ，l 一，) + l ( 1 一，) ( 1 + l r ) + 舢l i 一，) ( 1 一，1 + ，) + 材i l + 5 ) ( 1 一，) 【i + r ) + 虬，t + s x l + ，l 十，) + 缸p ( 1 一，x l + ，x l + ，) p 2 i 吨( 1 ，) 与圃 脚= ；奶i j ) 与n 同 2 、c o n t a c t3 dc o n t a l 7 4 ( = 维接触面单元1 图4 33 dc o n t a l 7 4 接触面单元 如图4 - 3 所示的c o n t a c t3 dc o n t a c l 7 4 ( _ 三维接触面单元) 用于模拟滑环上 的接触面。 c o n t a c t3 dc o n t a c l 7 4 单元具有八个节点，每个节点具有沿】【，y ，z 方 向的移动自由度。位于其下的3 d 实体单元应具有中间节点，如果s t r u c t u r a l3 d 实体单元不具有中间节点，选择3 dc o n t a l 7 4 单元，则求解时必须放弃其中 间节点。此单元与其关联的实体单元具有相同的几何特性，该单元支持库仑 ( c o u l o m b ) 摩擦模型。 3 、c o n t a c t3 dt a r g e1 7 0 ( 三维目标面单元) 如图4 - 4 所示的c o n t a c t3dt a r g e1 7 0 ( - - - 维目标面单元1 应用于模拟 与滑环接触的托瓦合金表面。 c o n t a c t3 dt a r g e l 7 0 单元每个节点具有沿x ，y ，z 方向的移动自由度，选 用此单元建立的目标面单元与位于其下的实体单元具有相同的单元形状。 本文应用s t r u c t u r a ls o l i d3 ds o l i d 4 5 单元，对几何实体模型筒体和滑环、 托瓦划分网格；应用c o n t a c t3 dc o n t a l 7 4 和c o n t a c t3 dt a r g e l 7 0 单元分别建 武汉理工大学硕士学位论文 立滑环与托瓦间的接触对，以实常数号进行识别。 目辱是 叠竞 三弗 图4 - 43 dt a r g e l 7 0 目标面单元 4 2 2 2 设置材料属性 设置简体钢板的相关常数。在本课题分析中，钢材的弹性模量 2 9 1 e = 2 0 6 x 1 0 1 1 m p a 、p o i s s o n 比为i x - - 0 3 、密度p = 7 8 5 0 k g m 3 ，这些都定义以 后，就开始进行有限元的建模了。 4 2 2 3 构建有限元模型 在完成了前面的步骤后，就进入了有限元建模过程中的最重要的一步，即 构建有限元模型了。主要是把无限自由度的几何实体变成计算机能够处理的有 限自由度的数值模型。 由于该磨机不满足结构、载荷及材料特征上的对称性，故对其整体进行建 模。采用先建立人孔，在人孔处尤其是圆角处划分较密网格，从人孔处向两端 拉伸生成简体各部分的方法，采用旋转、平移、镜像、拷贝等手段，应用m e s h 2 0 0 单元，由面单元生成体单元的方式生成网格。 在a n s y s 中生成的实体模型如图4 5 所示。 ：人 武汉理工大学硕士学位论文 图4 - 5 滑履磨机的实体模型 在a n s y s 中生成的单元模型如图4 - 6 所示。 图4 - 6 滑履磨机的单元模型 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 3 进入求艇器 4 2 3 1 施加荷载l a o a a l 加载包括给模型施加各种力和约束条件，不正确的加载将使方程不稳定并 导致最终无法得到正确结果，而正确和良好的加载，将不仅可以使计算获得更 好的收敛，甚至可以使创建的模型得到简化。 在进行a n s y s 分析时，载荷既可以施加到几何实体模型上，也可以直接 在有限元单元模型的节点或单元上进行加载。当然无论哪种方法，在开始求解 时，程序将自动将这些载荷转化到节点和单元上。实体模型加载法的优点在于： 实体模型载荷独立于有限元网格，改变单元网格将不影响所施加的载荷；与有限 元模型相比，实体模型包括较少的实体，在选择实体模型的实体并在实体上施 加载荷时操作简便。其缺点主要是在施加关键点约束时相对比较困难和不能显 示所有实体模型载荷。有限单元加载法的优点是：便于简化分析：不必担心约束扩 展，可简单选择全部所需节点，并指定适当的约束。而缺点是修改网格会使加 载无效和不便使用图形拾取施加载荷。由于在分析过程中，网格经常需要修改 或重新划分，所以如果在有限元模型上加载将极为不便。 为了便于重新划分或局部修改网格而不至于影响到加载，本文采用了实体 模型加载( 即将载荷直接加在实体模型上) 。 l ，磨机的功率 考虑到磨机在传动中的摩擦消耗，则球磨机的功率n 为： n = n o + r l( k w ) 式中n o ：电机的功率，k w ； t 1 ：机械效率，边缘传动球磨机q = 0 8 6 o 9 0 ； 由此可得舛6 x 1 4 m 磨机功率为：n = 4 2 0 0 0 8 8 = 3 6 9 6 ( k w ) 2 、简体各部分约束等效与计算唧 a 球磨机回转部分重量：建模时筒体质量以密度形式加入，各衬板及隔仓 板质量未建出实体，重量以密度形式加入到简体上。 b 动态研磨体产生的力p ，p = m g ( n ) 本分析为静力学分析，据手册：动态研磨体产生的力，其方向与重力方向夹 角约为7 。左右，在计算合力时，p 的方向采用重力方向垂直向下，其误差很小。 故建模时将研磨体产生的力p 按重力方向垂直向下均匀分布在研磨体作用面内。 武汉理工大学硕士学位论文 c 物料的重量g = 0 1 4 r a g ( n ) ，物料质量为研磨体质量的1 4 。 在建模时将物料的重量g 按重力方向垂直向下均匀分布在物料作用面内。 d 边缘传动时大齿圈的圆周力p c ，p c = 9 5 5 0 n n r b ， p c = 9 5 5 0 0 3 6 9 6 ，1 5 ( 4 9 4 2 ) = 9 5 2 6 8 0 n 式中n ：球磨机需要的功率，k w ： n ：简体的转速，r m i n ： r b ：大齿圈节圆半径，m ； 在建模时将该力作为载荷在大齿圈所在圆周面上均匀分布。 4 2 3 2 施加位移约束条件 具体到该磨机的数值模型，就是要定义模型底部托瓦底面所有节点的所有 位移未知数都为0 ，也就是说托瓦底部是不动的，这与实际是相符的。 4 2 3 3 求解 在对数值模型施加了荷载和位移约束条件后，就可以对有限元模型进行求 解计算了。 施加载荷及约束后的有限元模型如图4 7 所示。 图4 7 滑履磨机加载后的有限元模型 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 4 1 进入后处理器 进入通用后处理器m s t l ) 【3 5 】，提取并评价和分析结果。在等待计算机的计 算过程后，我们就可以得到我们要的相关结果了。 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章滑履磨机有限元结果及分析 通过有限元计算结果可得到筒体的各种应力的详细分布情况，并可得到位 移分布以及滑环和托瓦之间的接触应力情况。 5 1 整体的有限元计算结果及分析 1 、该磨机整体结构节点应力解：如下图5 1 所示，最大等效应力s m a x = 7 4 3 m p a ，位于磨尾的托瓦支撑处，满足强度要求。整体应力分布均在图中蓝绿 色区域即：o 4 9 5 m p a 之间。 图5 - 1 滑履磨机整体应力云图 2 、磨机整体结构节点位移解：如图5 - 2 所示：最大位移变形处如图中u s u m 处，d m a x = 2 2 8x 1 0 m 。可见位移基本无变化。 武汉理工大学硕士学位论文 图5 - 2 滑履磨机整体位移解 5 2 筒体及各部分有限元计算结果及分析 5 2 1 筒体的有限元结果及分析 1 筒体部分节点应力解：如图5 3 所示，最大等效应力处如图s e q v 处， s m a x = 5 6 5 m p a ，位于人孔倒圆处。整体应力分布均在1 3 9 2 3 7 7 m p a 问。 图5 - 3 简体应力云图 武汉理工大学硕士学位论文 2 筒体部分节点位移解：如下图5 - 4 所示：最大位移变形处如图中u s u m 处， d m a x = 2 2 8 6 4x 1 0 2 m ，变化很小。 图5 - 4 简体位移云图 5 2 2 磨头的有限元结果及分析 1 磨头部分的节点应力解：如图5 5 所示，磨头的最大应力位于s e q v 处， s n m x = 4 3 6 m p a ，位于磨头的倒圆处，且位于研磨体抛落位置附近，且有云图可 看出有研磨体作用的一侧应力稍大，而图磨头的左上方部分应力很小，符合实 际情况。为更清楚地看到最大应力位置的应力分布情况，特取放大图如图5 - 6 所示。 图5 5 磨头的应力云图 武汉理工大学硕士学位论文 图5 6 磨头的应力m a x 放大云图 2 磨头部分的节点位移解：如图5 7 所示，d m a x