水泥回转窑的三维建模和有限元分析毕业论文.doc

水泥回转窑的三维建模和有限元分析毕业论文水泥回转窑的三维建模和有限元分析毕业论文 目目 录录 1 1 绪论绪论 1 1 1 1 论文课题的来源 1 1 2 论文的工程背景 1 1 3 论文主要内容及研究思路 2 1 4 有限元法及 ANSYS 软件概述 4 1 4 1 有限元法概述 4 1 4 2 有线元法刚度矩阵的建立 4 1 4 3 有限元软件 ANSYS 概述 8 第二章第二章 回转窑基本结构和相关数据回转窑基本结构和相关数据 1111 2 1 回转窑发展简介 11 2 2 回转窑基本结构 12 2 2 1 筒体结构 13 2 1 2 窑衬 13 2 2 3 滚圈与垫板 13 2 2 4 支撑装置 托轮 14 2 2 5 其他装置 15 2 3 回转窑数据的收集和整理 15 第三章第三章 回转窑的有限元分析回转窑的有限元分析 1919 3 1 整体建模 求各档的支撑反力 19 3 3 1 回转窑支承系统力学模型 19 3 3 2 载荷条件 20 3 3 2 建立有限元模型 20 3 3 3 求解结果 26 3 4 轮带的有限元分析 26 3 4 1 轮带的受力 26 3 4 2 模型的建立 29 3 4 3 离散处理 31 3 4 4 约束和加载 31 3 4 5 求解 33 3 4 6 求解结果与分析 35 3 4 7 结论 40 3 5 筒体的有限元分析 40 3 5 1 薄壳理论 40 3 5 2 建立筒体模型 41 3 5 3 计算结果与分析 45 本文结论本文结论 5656 参考文献 参考文献 5757 附录 附录 5959 翻译部分翻译部分 6767 英文原文 67 中文译文 79 致致 谢谢 8989 2008 届本科生毕业设计 第 1 页 1 绪论 1 1 论文课题的来源 本课题是委托研究的项目 回转窑垫铁结构的受力和优化问题 的组成部分 主要采用数值分析的方法对回转窑主体部件 轮带 筒体 的力学行为进行有限 元仿真 研究其应力 应变规律 分析部件的强度 刚度 找出危险截面 1 2 论文的工程背景 回转窑属于回转圆筒类设备 小角度倾斜安装 以低速回转 运行时 物料 从窑的高端 又称窑尾端 加入 燃料由窑的低端 又称窑头端 喷入 烟气由高端 排出 随着窑筒体的回转 窑内物料在沿周向翻滚的同时沿轴向移动 物料在移 动过程中 通过与热气流的逆流换热而得到加热 经过物理与化学变化 成为合 格产品从低端卸出 大型回转窑在工业生产企业中属重要设备 其良好运行是保 证生产正常进行的关键 大型回转窑一般由4或5档托轮支承 其机械部分可以看 作一个重载 大扭矩 多支点系统 每档支承由左右两个托轮和轮带组成 筒体 活套在轮带里 轮带支承在两托轮上 托轮分别与垂直方向成夹角安装 回转窑 筒体通过轮带支承在多档支承装置的托轮上慢速回转工作 一般以3 5 的斜 度倾斜布置 加上物料 总重一般达1000T以上 显然 回转窑是典型的复杂重 载 多支点 变刚度的大型静不定系统 由于回转窑筒体长 跨距大 筒体应具有足够的刚度和强度 在安装和运转 中保持窑筒体的 直而圆 直接关系到回转窑内衬砖的寿命和窑的运转率 比较 理想的筒体应是 横刚纵柔 即在横断面上具有较大的刚度 可以使简体保持 一个比较标准的圆形 不致因变形而产生大的振动 在纵向则要有较好的柔性 筒体中心线的微小变化不会引起载荷大的改变或分布严重不均 筒体的刚度主要 是简体截面在巨大的横向切力作用下抵抗径向变形的能力 在运转中筒体上每一 点的径向变形值是变化的 过大的径向变形 必然导致内衬砖的松动 影响使用 寿命 筒体的强度问题表现为简体在载荷作用下产生裂纹 尤其是滚圈附近的简 体 测定表明简体内存在相当大的应力 其值达几十兆帕 在载荷应力和不可避 免的焊接应力共同作用下 最终导致裂纹 回转窑在实际运转中 由于窑体变形 窑体和支承装置安装误差 基础下沉等客观原因 使得窑简体实上既不直 也不 圆 造成薄壁筒体不仅有轴向应力和变形 还有不可忽视的周向应力和径向变形 近2O年来 许多学者在这方面作了努力 但是筒体的内力和变形比较复杂 而且 各家的观点也不一致 所以 至今尚未得到理论上成熟 使用方便的计算公式 9 目前 国内外仍沿用一些假设条件 一般将筒体简化为连续梁 用材料力学的方 法计算 校核其轴向应力和横向变形 以保证简体满足强度 刚度条件 这种方 2008 届本科生毕业设计 第 2 页 法在梁载荷分布比较复杂 截面尺寸变化较多时 计算是非常复杂的 工程设计 中 为了计算方便 一般都对载荷作了较大的简化 并将跨间作为等截面考虑 而实际上 这样简化造成的计算误差是不可忽视的 因此 如何准确 方便地求 出筒体的应力 变形就显得极为重要 1 2 课题的研究意义 回转窑作为水泥 冶金 建材 化工等流程工业的核心设备 其支承系统的 破坏不但降低生产效率 影响产品质量 增加维护成本 更为严重的问题是引发 多种突发性机械故障和安全事故 通常故障性停窑的经济损失是正常停窑检修的 数十倍 如冶金 水泥工业生产中的大中型回转窑 一台窑停产一天通常引起数 十万元的生产损失 发生一次托轮断轴事故 不仅需更换托轮的维修费二十余万 元 而且造成数百万元的生产损失 而大型回转窑滚圈的表面接触疲劳引起的掉 块和剥落严重威胁着回转窑的稳定运行及安全 而滚圈的开裂对安全生产带来严 重的后果 一台大型回转窑的滚圈部件十分庞大 直径约4 5米以上 重约27T以 上 不仅制造难度大 运输 更换安装费用也十分高昂 可见 回转窑系统引 发的这些机械故障和安全隐患 不仅带来高的维护维修费用 而且大大地降低了 窑的运转率 造成重大经济损失 因此 对回转窑系统的受力 变形以及由此而 引起的破坏进行研究是十分有现实意义的 本文试图以轮带的变形 筒体的应力 变形为切入点 对筒体的受力状况和 应力分布进行分析研究 并运用大型工程软件ANSYS对简体进行仿真分析 计算 出筒体在实际过程中的应力和变形 找出筒体的危险薄面 为回转窑筒体的设计 及调整提供理论指导 1 3 论文主要内容及研究思路 本论文首先论述回转窑的发展现状 论述有限元方法的原理和应用范围 提 出研究的课题 说明课题的意义 找出研究的方法 分析水泥回转窑结构和边界 条件 对生产实际中回转窑出现的筒体裂纹 轮带变形及托轮轴损坏的原因进行 分析 然后 水泥回转窑的进行三维建模 用有限元的方法对回转窑筒体受力进 行计算 找出筒体上的最大危险面 应力分布 对回转窑的设计和维护提出建议 研究的思路 分析回转窑的结构 受 力和约束 2008 届本科生毕业设计 第 3 页 图 1 1 研究思路框图 说明 以上建模分析均在 ANSYS 软件中进行 分析有限元 建模的元件 类型 材料 属性 等 简化窑体 用 Beam188 单元 建模 求出支 反力 使用 solid95 单元对轮 带建模 加载荷和约束 求解 得到轮带变形图 对筒体进行建模分析 使用 shell 单 元 施加边界条件 求解得出筒体的等效 应力图 变形情况 得出结论 提出建议 2008 届本科生毕业设计 第 4 页 1 4 有限元法及 ANSYS 软件概述 1 4 11 4 1 有限元法概述有限元法概述 有限元法是一种求解复杂工程结构的非常有效的数值分析方法 它的基本思 想是将所研究的工程系统进行离散处理 转化成一个有限元系统 Finite Element system 该有限元系统由节点 Node 及单元 Element 所组合而成 一 个有无限个自由度结构的工程系统变换成一个具有有限个自由度的近似结构 这 个有限单元系统可以转化成一个数学模型 完整有限元模型除了节点 单元外 还包含工程系统本身所具有的边界条件 约束条件 外力负载等 根据有限元数 学模型便可对工程系统进行求解 并通过节点 单元表现出来 求解基本步骤分 如下几个过程 l 结构离散化将某个工程结构离散为由各个单元组成的计算模型 单元间 彼此通过节点相连 根据研究对象的不同 有限元法中采用的单元形式也不相同 单元节点的设置 特性 数目等视问题的性质 描述变形形态的需要和计算精度 而定 2 分析单元特性 求出各单元的刚度矩阵 K e 根据单元的材性质 形状 尺寸 节点数目 位置及含义等 应用弹性力学中的几方程和物理方程建立单元 节点力和节点位移的关系式 即单元刚度矩 K e 单元刚度矩阵 K e是由单元节 点位移向量 e求单元节点力量的转移矩阵 其关系式为 F e K e e 1 1 3 单元组集 求结构的总体刚度矩阵 K 将所有单元刚度矩阵 K e 集成为 结构的总体刚度矩阵 K 并写出总体平衡方程 总体刚度矩阵 K 是由整体节点 位移向量 求解整体节点力向量 F 的转移矩阵 其关系式即为总体平衡方程 方程如下 F K 1 2 4 计算等效节点力 结构离散化后假设力是通过节点从一个单元传递到另一 个单元 但是 对于实际的连续体 力是从单元的公共边界传递到另一个单元中 去的 因而 另一种是节点 n 沿某个方向的这种作用在单元边界上的表面力 体 积力或集中力都需要等效地移到节点上去也就是用等效节点力来代替所有作用在 单元上的力 5 引入边界条件 并求解未知节点的位移 节点的边界条件有两种 一种是 节点 n 沿某个方向的位移为零位移为一给定值 引入边界条件 求解方程 1 2 得到节点位移 可根据方程的具体特点来选择合适的计算方法 6 求各单元内的应力和应变 2008 届本科生毕业设计 第 5 页 1 4 21 4 2 有线元法刚度矩阵的建立有线元法刚度矩阵的建立 进行有线限元分析的基本步骤之一就是要找出所剖分单元的刚度矩阵和质量 矩阵 一般建立刚度矩阵的方法有直接法 虚功原理法 能量变分原理法和迩辽 金法 下面用虚功原理法求刚度矩阵 l 位移模式和形状矩阵 N 形函数 对于一个复杂的弹性体 要用某种函 数描述整体内任意一点的位移是不可能的 但对离散化后的某个单元 则可将该 单元内某一点的位移量近似地写为该点的坐标函数 这个表达式称为该单元的位 移模式 要使有限元解收敛 位移模式必须满足以下条件 包含刚体位移和常应变 必要条件 单元边界上 位移是协调的 充分条件 此外 为提高精度 多项式应由低向高选取 完 备到尽可能的阶数 对 P 阶完备多项式 误差为 DP 1f 位移模式可用形状矩阵 N 与 节点位移表示 1 3 e u x y z x y zv x y zN x y z w x y z 式子中 局部坐标系中单元内任意一点的位移 x y z 单元内节点位移列阵 e 1 11 e iiinnn u v wu v wu v w n 单元节点总数 形状矩阵 节点位移与单元中任意一点位移转换矩阵 N x y z 任意一个单元的形状函数应满足下列两个条件 在该单元某一节点 i 处 1 Ni 1 而在该单元其余节点处 Ni 0 任意一个单元所有节点的形状函数之和 2 等于 1 任意一个单元的形状函数满足以上两个条件 表示该单元作刚体运动的 情况 2 几何矩阵 B 一节点位移和单元中应变之间的转换矩阵 由弹性力学几 何方程表示出位移与应变的关系 2008 届本科生毕业设计 第 6 页 1 4 x y z xy yz xz u x v y w z uv yx vw zy wu xz 利用位移与应变的关系式将位移模式的表达式 1 3 代入几何方程 1 4 可得单元 内的应变的表达式 1 5 12 ee n BB BB 式中 B 应变矩阵 3 应力矩阵及局部坐标系中的单元刚度矩阵 K e 由弹性力学可知应力与应 变的关系式 1 6 D 式子中 应力列阵 T xyzxyyzxz D 弹性矩阵 由弹性常数 E 和 决定 2008 届本科生毕业设计 第 7 页 1 1 1 1 1 11 1 1 2 000 11 2 2 1 1 2 0000 2 1 1 2 00000 2 1 E D 7 将式 35 代入式 36 得 1 8 e DB 1 9 SDB 式中 S 为单元的应力矩阵将 2 8 代入虚功方程经整理后得局部坐标系中力平 衡方程 1 10 eee fk 式子中 局部坐标中单元节点力 e f 1111222 T e xyzxxyzxnynzn fffffffffff e k T e v kBDB dV 4 整体坐标中的单元刚度矩阵 为了得到总体刚度矩阵 使用坐标转 e k 换矩阵 T 将在局部坐标系中得到的单元刚度矩阵 K e 转换成在整体坐标系中 的单元刚度矩阵 K e 设局部坐标与整体坐标的坐标转换矩阵为 T 则局部坐 标系中的单元节点位移向量与整体坐标系中单元节点坐标位移向量之 e e 间的转换关系式为 ee T 整体坐标系中的单元刚度矩阵 K e 2008 届本科生毕业设计 第 8 页 1 11 Tee KTKT 5 总体刚度矩阵的集成 总体刚度矩阵 K 是由节点位移 求节点力 F 的 转移矩阵 其关系式参见式 2 2 写成分块的形式 则为 1 12 1111211 22121212 12 n nnnnnn FKKK FKKK FKKK 总体刚度矩阵的特点 对称性 稀疏性 奇异性 分块性及非零元素呈带状 分布 9 1 4 31 4 3 有限元软件有限元软件 ANSYSANSYS 概述概述 有限元法的计算量庞大随着计算机技术的发展有限元法得以发展 一般完整 的有限元程序包含前置处理 解题程序及后置处理 这三部分的内容如下 1 前置处理 输入建立有限元单元模型所需的资料 如对象的几何形状 单元内节点排列次序 输入材料特性 如材料的弹性模量 泊松比 选 择单元种类 如 2D 8 单元 产生单元 确定边界条件 确定负载条件 如集中载荷 2 解题程序 单元刚度矩阵 K e 的计算 系统外力向量 F 的组合 线 性代数方程 F K 的求解 求应力 应变等 3 后置处理 将解题部分所得的解答如应力 应变等数据通过图形接口以各 种不同的表示方式把等值位移图 等值应力图等显示出来 在计算机上进行有限 元分析的流程图如图所示 2008 届本科生毕业设计 第 9 页 处理 求解 分析 不合理 合理 工程问题 搜集相关资料 决定分析项目 获取材料的机械性质 几何条件 外力 边 界条件 建立有限元模型 材料性质 几何形状的定义 单元 节点的产生 加边界条件 加负载条件 加时间变化情形 分析 分析结果显示和打印 结果研判 提出改进方法 问题解决或得到最佳设计 2008 届本科生毕业设计 第 10 页 目前进行有限元分析的力学软件以 ANSYS 数值分析软件包较为流行 ANSYS 的使用有两个模式 一是交互模式 另一种是非交互模式 交互模式在整个分析 过程中 逐一执行命令完成分析工作 内容包括建立模型 查看模型 修改模型 保存文件 打印图形及获得分析结果等 如果对 ANSYS 的命令非常了解 而且分 析问题所需要的时间很长 如一天两天 则可将分析问题的所有命令 利用某个 文本编辑软件制成文本文件 通过非交互模式进行分析工作 在非交互模式中 仍可利用计算机分时共享继续利用计算机 进入 ANSYS 后 整个 ANSYS 的构架分为两层 Level 起始层 Beginlevel 处理器层 processor level Begin level 的功能用于退出 ANSYS 进入各个不 同的 Processor level 等 处理器的功能在于接受相关类型目的工作命令 ANSYS 的处理器有 1 一般前处理器 PREP7 建立有限元模块 不管哪种分析都一定会使用该处 理器 2 求解处理器 SOLU 定义外力 边界约束条件及求解 不管哪种分析都一 定会使用该处理器 3 一般后处理器 POST1 用于静态结构分析 模态分析等 4 优化处理器 OPT 处理优化问题 定义目标函数 约束条件 5 时域处理器 POST26 仅用于动态结构分析后 查看动态分析 与时间有关的时域结果 处理器之间的转换通过 FINISH 命令先回到 Begin level 然后进入要到达的 处理器位置 如图 1 2 所示 图 1 2 ANSYS 处理器之间的转换 2008 届本科生毕业设计 第 11 页 2 回转窑基本结构和相关数据 2 1 回转窑发展简介 在建材 冶金 化工 环保等许多生产行业中 广泛地使用回转圆筒设备对 固体物料进行机械 物理或化学处理 这类设备被称为回转窑 图 2 1 回转窑全景图 回转窑的应用起源于水泥生产 1824 年英国水泥工 J 阿斯普发明了间歇操 作的土立窑 1883 年德国狄茨斯发明了连续操作的多层立窑 1885 英国人兰萨姆 F Ransome 发明了回转窑 在英 美取得专利后将它投入生产 很快获得可观 的经济效益 回转窑从发明至今 随着科技的进步 生产的需要及经验的积累 回转窑的结构发生了很大的改变 归结为三个方面的发展趋势 1 回转窑日趋大型化 为提高窑的生产能力 窑体的尺寸和规格日趋增大 第一批投入生产的回转窑直径为必 1 6 一必 1 9m 长度 19 52 24 0m 两档静定 支承 日产量为 30 50 吨 而今世界上最大的回转窑直径超过 7m 长度超过 200m 支承档数多达 9 档 日产量高达 10000 吨 2 回转窑结构日趋完善 自动化程度不断提高 随着回转窑的日趋大型化 最初回转窑的简单结构已不适用 就托轮支承装置而言 有机械自调支承 液压 2008 届本科生毕业设计 第 12 页 自调支承等 这些支承能更合理地分配各档托轮力 并能有效解决回转窑基础的 沉陷问题 在回转窑传动和物流方面 开始采用微机进行控制 3 向节能方向发展 最初回转窑使用的燃料为天然气 接着改为烧油 现今 改用烧煤 同时 大型的回转窑都配备有单筒冷却机把窑头产品的热量来预热进 窑的助燃气 节约了大量的热能 总之回转窑的发展呈现一个物料流 信息流 能量流不断改进 整个系统不 断整体优化的趋势 我国回转窑的应用和发展比较晚 最先也是应用于水泥工业 1920 年 在上 海龙华建起我国第一座湿法水泥回转窑 新中国成立后 回转窑迅速应用到建材 冶金 化工等行业中 目前 我国已有回转窑的种类 100 多种 各种类型和规格 的回转窑总台数达到 2000 余台 是世界上拥有回转窑种类和台数都最多的国家 随着我国工业和科技的快速发展 在我国国民经济生产各部门对回转窑的应用会 越来越广泛 数量需求会越来越多 规格要求也会越来越大 然而 我国回转窑的应用技术和装备水平落后于国外 受我国机械制造和自 动化控制水平的限制 我国目前的回转窑应用技术和装备水平还相当落后 在生 产工艺和设备的设计 制造方面还有很多内容需要花大力气来研究 2 2 回转窑基本结构 回转窑属于大型回转圆筒类设备 小角度倾斜安装 以低速回转 运行时 物料从窑的高端 又称窑尾端 加入 燃料由窑的低端 又称窑头端 喷入 烟气由 高端排出 随着窑筒体的回转 窑内物料在沿周向翻滚的同时沿轴向移动 物料在 移动过程中 通过与热气流的逆流换热而得到加热 经过物理与化学变化 成为 合格产品从低端卸出 回转窑烧成工艺虽然种类较多 但从机械结构来看 均由 筒体 窑衬 滚圈 托轮 托轮轴 传动装置 燃烧器和窑头 窑尾密封装置等 部分组成 基本结构示意图如图 2 2 所示 2008 届本科生毕业设计 第 13 页 图 2 2 回转窑基本结构示意图 2 2 12 2 1 筒体结构筒体结构 筒体由钢板卷成圆筒 然后一段段铆接或焊接而成 是回转窑的主体部件之 一 由于铆接筒体有制造工艺复杂 筒体重量大 铆钉易松动导致筒体变形 窑 衬砌砖困难 窑衬稳定性差等一系列的缺点 随着焊接技术的提高及筒体卷制能 力的加强 目前已不再设计制造铆接筒体 筒体由于长度长 分 2 至 9 档支承 按物料和温度的变化过程 筒体内划分为烘干带 预热带 分解带 烧成带 或 反应带 冷却带等 5 个工作带 各工作带的长度和种类随物料的化学反应及处 理方法而异 筒体的强度问题表现为筒体在交变载荷作用下产生疲劳裂纹而开裂 尤其是滚圈附近的筒体存在着相当大的应力 比较理想的筒体状态应是 横刚纵 柔 即在横断面上具有较大的刚度 纵向则要有较好的柔性 因为大的径向变 形使在筒体转动中产生大的振动和交变应力 导致内部衬砖的松动等 直接影响 到窑的运转率 筒体的径向变形在支点处为最大 到跨中逐渐减小 衰减速度随 筒体的厚度与直径的比值的增大而加快 较好的纵向柔性可以减轻筒体轴线变化 引起的载荷分配不均 2 1 22 1 2 窑衬窑衬 筒体内物料烧结时温度可达 1450 以上 为保护筒体和减少散热作用 在筒 体内用耐火材料砌筑有窑衬 一般窑的高温带窑衬需要经常更换 它的更换期即 窑的运转周期 使用优质窑衬砌筑 维护好窑衬 减小筒体的截面变形防止窑衬 脱落 对窑长期稳定运行起着重要作用 2 2 32 2 3 滚圈与垫板滚圈与垫板 滚圈为一厚圆环 在水泥窑中称之为轮带 它也是回转窑的主体部件之一 回转窑筒体 窑衬 物料等所有回转部分上千吨的载荷 要通过滚圈施加到托轮 上 单个滚圈便要传递几百吨的载荷 其自重也达数十吨 滚圈按其截面形式分 2008 届本科生毕业设计 第 14 页 为矩形 箱形 剖分式和滚圈与筒体联合化 筒体厚垫片薄垫块挡板楔块 图 2 3 间隙可调式垫板 滚圈是套在筒体上 分固定式和活套式连接两种 固定式连接是将筒体的短 节与滚圈焊接在一起 这种结构筒体的截面抗变形刚度较好 但由于回转窑起停 时筒体和滚圈的温差变化大 产生较大热应力 活套式连接是将滚圈松套在筒体 上 筒体和滚圈之间采用焊接式垫板来连接 目前回转窑筒体和滚圈基本上是采 用活套式连接方式 滚圈活套式连接结构 垫板用来将载荷传递到滚圈上 使筒 体不直接与滚圈摩擦 垫板之间的空隙增加了散热 垫板厚度一般 30 60mm 宽度 200 280mm 中心距 300 4O0mm 垫板块数根据宽度和中心距而定 覆盖整个圆周的 60 70 垫板两侧焊有挡板或挡圈限制滚圈与筒体之间的轴向窜动 冷态时滚 圈内径与垫板外径间留有间隙 预留间隙选择要合理 间隙过小 升温时筒体热 膨胀快于滚圈 将引起筒体 缩颈 现象 产生很大热应力 2 2 42 2 4 支撑装置支撑装置 托轮托轮 支承装置的组数称为档数一般 2 9 档 每档支承由一对托轮托轮轴滑动轴 承和底座组成 托轮分别与垂直方向成 30 度夹 角安装 托轮既保证筒体转动 又承受巨大的载荷 如在其中有一档或几档的支承装置上装有挡轮 称为带挡轮支承系统 挡轮的作用是限制或控制 窑回转部分的轴向运动 挡轮分普通挡轮和液压 挡轮 只带普通挡轮的回转窑要靠调整托轮位置 和角度来调控窑体轴向运动 准确控制较困难 带液压挡轮的回转窑则采用压力油来调控 控制 容易 我国由于液压元件制造技术较落后 目前 回转窑基本上都是使用普通挡轮 2008 届本科生毕业设计 第 15 页 2 4 支撑装置 2 2 52 2 5 其他装置其他装置 传动装置由电机减速器大齿圈等组成大齿圈固结在筒体 另外还有换热装置 窑头罩等 2 3 回转窑数据的收集和整理 本论文以淮海水泥厂的生产回转窑 5 8 97 055 为例 进行受力分析 1 筒体不同截面的窑壁的厚度 如表 1 2 回转窑的四个支撑所在的分配位置 表 2 表 1 截面 mm 厚度 mm 截面 mm厚度 mm 0 54806037080 5273032 5480 78809052730 5473060 7880 98806054730 5713090 9880 150804557130 5913060 15080 254803859130 7723032 25480 274807077230 8363060 27480 2988010083630 8603090 29880 318807086030 8803060 31880 370803888030 9705530 表 2 支撑位置 mm 窑头 6680 28680 55930 84830 3 轮带的截面图 档 轮带的内径 外径 宽度 一档轮带几何尺寸 内径 6084 62 72mm 外径 7051 88mm 宽度 1000mm 一档轮带几何尺寸 内径 6084 62 72mm 外径 7051 88mm 宽度 1000mm 一档轮带几何尺寸 内径 6084 62 72mm 外径 7051 88mm 宽度 1000mm 一档轮带几何尺寸 内径 6084 62 72mm 外径 7051 88mm 宽度 1000mm 几何图形如下 2008 届本科生毕业设计 第 16 页 图 2 5 各档轮带的横截面图 4 回转窑的载 2008 届本科生毕业设计 第 17 页 表 3 集中力和分布载荷项目 分布载荷单位长度筒体 自重 耐火砖窑皮物料 集中力窑头 5 2T窑尾 3 5T齿圈 26 5T 筒体自重的求解公式如下 2222 9 8 7800 3 14 GgRrRr 表 4 轮带和垫铁对筒体的载荷影响 项目 位置 垫铁 比重 N m 轮带重 T 总比重 轮带 垫铁 N m 一档3498279357565 25 二档3131992 5409027 5 三档3498281365731 9 四档3446381365213 3 表 5 窑皮和耐火砖对筒体的载荷影响 窑皮比重 N m 耐火砖比重 N m 0 31 88m1059380 45m126812 31 88 45m65983 445 70m116424 45 窑尾070 97 05596824 筒体 轮带的材料属性简化为 材料的弹性模量 EA 2 1e11 泊松比 0 3 密度 7800kg m3 5 回转窑的温度 回转窑筒体内的工作带 根据不同温度从窑头至窑尾沿筒体轴向分成冷却带 烧成带 分解带 预热带和干燥带 虽然在各带物料和反应冷气的温度变化较大 烧成带的焙烧温度高达 1250 C 左右 筒体由于窑衬的保护和钢材良好的导热性 温度变化不大 一般窑尾 20 米和窑头 10 米范围内 温度在 150 C 左右波动 其余温度在 300 C 左右波动 将筒体按温度分成 5 段 0 5 米范围内 温度为 150 C 5 10 米范围内 温度为 225 C 10 80 米范围内 温度为 300 2008 届本科生毕业设计 第 18 页 C 80 90 米范围内 温度为 225 C 90 97 055 米范围内 温度为 150 C 材料的弹性膜量 E 与温度有关 其关系式为 E EE E0 0 e T T e T T0 0 E E0 0 式子中T T0 0表示常温 一般为 25 C E0 为常温下材料的弹性模量 对 Q235 钢有 E0 210Gpa e 表示温度每升高一度时 材料弹性模量的相对变化量 将数 据带入可以得到筒体不同温度段的弹性模量 表 6 回转窑各带的温度与弹性模量 冷却带烧成带分解带预热带干燥带 150 C225 C300 C225 C150 C 2 09e112 0e111 895e112 0e112 09e11 2008 届本科生毕业设计 第 19 页 3 回转窑的有限元分析 3 1 整体建模 求各档的支撑反力 图 3 1 回转窑的支撑系统图 3 1 13 1 1 回转窑支承系统力学模型回转窑支承系统力学模型 回转窑是一种重载多支点变刚度的高次超静定运行系统载荷分布和刚度变化 复杂 筒体长度较长 同时由于回转窑运行轴线的变化 存在支座位移 用传统 的求解方法准确求解已不可能 回转窑筒体是直径大长度长的薄壁圆筒忽略筒体截面变形的影响 可将其看 作是具有圆环截面的连续梁 由于筒体是活套在滚圈里 在垂直面和水平面内 对筒体而言 各支承相当于简支支承 窑头 窑尾正常情况下对筒体只作用由于 相对转动而引起的摩擦力矩 无支承力和弯矩 可将窑头 窑尾视为悬臂端 当 窑头 窑尾筒体挠度变形较大时 将产生支承力 此时相当于已知端支座位移和 端支座转角的简支端 端支座位移和端支座转角为窑头 窑尾所允许的位移偏差 极限和转角极限 求托轮受力时 可将回转窑筒体作为研究对象 把由 4 档托轮支承的回转窑 2008 届本科生毕业设计 第 20 页 筒体视为二次超静定梁 根据材料力学理论 多次超静定梁的求解方法 通常可 用三弯矩梁法和力法 考虑到编制计算机程序需要 本文采用力法求解二次超静 定问题 由于力法可把变形协调条件写成具有统一形式的方程 组 从而为计算 机编程和多余支承反力的求解 提供了方便而严谨的解题步骤 3 1 23 1 2 载荷条件载荷条件 为了便于计算 根据回转窑的结构特点 将筒体 物料 窑皮 耐火砖简化 为分段均布载荷 将轮带 大齿轮 护口铁简化为集中载荷 且认为筒体中心线 为一直线 托轮对称布置 根据以上简化 画出回转窑受力图 如图 3 2 所示 Q40 Q30 Q20 Q10 P3 q1 q2 q3 P2 P1 DCBA 图 3 2 回转窑受力简图 3 1 23 1 2 建立有限元模型建立有限元模型 在垂直面和水平面内 将回转窑筒体处理为具有圆环截面的连续梁 建立程 序化求解力学模型 该模型的求解方程为线性方程组 模型属于线性模型 Beam188 单元是 3 D 线性有限应变梁 选择 Beam188 作为筒体的简化梁 下面是 Beam188 的属性 BEAM188BEAM188 BEAM188 3 D 线性有限应变梁 MP ME ST PR PP ED 元素描述元素描述 BEAM188 适用于分析细长的梁 元素是基于 Timoshenko 梁理论的 具有扭切 变形效果 BEAM188 是一个二节点的三维线性梁 BEAM188 在每个节点上有 6 或 7 个自由 度 自由度 数目的变化是由 KEYOPT 1 来控制的 当 KEYOPT 1 0 时 默 认 每节点有 6 个自由度 分别是沿 x y z 的位移及绕其的转动 当 KEYOPT 1 1 时 会添加第七个自由度 翘曲量 此元素能很好的应用于线性 分析 大偏转 大应力的非线性 分析 BEAM188 包含应力刚度 在默认情况下 在某些分析中由 NLGEOM 来打开 在进 行弯曲 flexural 侧向弯曲 lateral 和扭转稳定性 torsional stability 分析时 应力刚度应该是被打开的 2008 届本科生毕业设计 第 21 页 BEAM188 能够采用 SECTYPE SECDATA SECOFFSET SECWRITE 和 SECREAD 来定 义任何截面 形状 弹性 elasticity 蠕变 creep 和塑性 plasticity 模型都是允许的 不考虑次截面形状 图 3 3 BEAM188 3 D 线性有限应变梁 GUI 操作过程 1 环境设置 1 启动 ANSYS 以交互模式进入 ANSYS 在路径下面建立子路径 C Documents and Settings king hope 桌面 example 取工作文件名 为 zhifanli 进入 ANSYS 界面 2 设置标题 执行 Utility Menu Change Title 命令 输入 liang 单击 ok 关闭对话框 3 定义图形界面过滤参数 Main Menu Preferences 选择 structural 2 定义单元和材料 1 定义单元类型 执行 Main Menu Preprocessor Element Type Add Edit Delete 2008 届本科生毕业设计 第 22 页 选择 Beam188 单元 单击 ok 2 定义材料属性 绝大多数单元类型都需要材料属性 根据应用的不同 材料属性可以有如下 几种 线性或者非线性 弹性 各向同性 正交异性 或非弹性 不随温度变化或者随温度变化 选择说 structural liner elastic isotropic 设置 EA 为 2 1e11 泊松比为 0 3 选择 density 设置密度为 7800kg m3 3 建立模型 1 Main Menu Preprocessor Modeling create key points in active cs 输入关键点的编号和 xyz 的坐标 单击 ok 界面中将出 现所建立的关键点 依照上述方法 参照图纸 在窑壁厚度不同的地方及轮带的中点出均建立 kps 共 23 个 2 Main Menu Preprocessor Modeling create lines straight 2008 届本科生毕业设计 第 23 页 line pick kps numbers 依次拾取 1 2 3 22 23 建立 22 条直线 3 Main Menu Preprocessor Sections beam common sections 在 beam tool 中的 ID 中设置界面的号码 指定 Sub type 为同心圆 设置内径外径 点击 apply 由于窑壁的界面有 8 种类型 所以设置 八种梁截面单元 4 Main Menu Preprocessor mesh mesh attributes picked lines 在出现的对话框中 选择要定义的梁 单击 ok 在 line attributes 对话框中 根据选择梁单元截面的不同 设置 element section 的标号 4 加载和求解 1 Main Menu Preprocessor Loads Apply Displacement Force Moment 选择 on keypionts 在相应的位置加载集中力 如窑头 窑尾和大齿圈处 2 Main Menu Preprocessor Loads Apply structural pressure on beams 选择梁单元 把窑皮 耐火砖 筒体自重及轮带重分别加在相应的梁单元中 3 约束条件 一档 二档 四档处约束 xy 两个方向 三档由于有防止窑体轴向位 移过大装置 三档处的约束为 xyz 三个方向 2008 届本科生毕业设计 第 24 页 4 Main Menu Preprocessor mesh mesh tool 在 mesh tool 中单击 mesh pick all 单击 ok 即完成了梁单元的自由网格划分 5 Main Menu Solution solve current LS 单击 ok 软件进行求解 出现 求解完成 可以进入后处理阶段 得到想要的结果 5 后处理阶段 进入 main menu general postproc plot results deformed shape 2008 届本科生毕业设计 第 25 页 3 4 梁的变形图 3 5 梁的受力图 单击 list results rection solu 2008 届本科生毕业设计 第 26 页 选择 Y 方向的支反力 可到筒体受到拖轮支撑的支反力的大小 所得数据说下 PRINT FY REACTION SOLUTIONS PER NODE POST1 TOTAL REACTION SOLUTION LISTING LOAD STEP 2 SUBSTEP 1 TIME 2 0000 LOAD CASE 0 THE FOLLOWING X Y Z SOLUTIONS ARE IN THE GLOBAL COORDINATE SYSTEM NODE FY 8 0 64266E 07 36 0 89492E 07 69 0 68984E 07 99 0 60284E 07 TOTAL VALUES VALUE 0 28303E 08 3 1 33 1 3 求解结果求解结果 各支承位移为零时 各轮带处垂直承载力 N 的计算数据 如下表 表 6 各档轮带处的垂直承载力 单位 N 一档二档三档四档 6426600894920068984006028400 3 2 轮带的有限元分析 轮带是回转窑最重要的零件之一 筒体 窑衬及物料等所有回转部分的重量 都要通过轮带传到支承装置上 筒体变形的大小直接关系到窑衬的寿命 而轮带 对筒体的变形有着很大的影响 3 2 13 2 1 轮带的受力轮带的受力 从 1942 年 Nies 发表了轮带弯矩计算公式以来 各国学者相继发表了大量有 2008 届本科生毕业设计 第 27 页 关轮带和筒体应力和变形的研究论文 而这些论文对轮带载荷分布都是假定的 其中筒体对轮带的压力分布大体有以下三种假定 1 均布载荷 Nies 和 Metter 等作者假定窑筒体的每个支点载荷均匀分布在论带上 如图 3 6 所示 轮带单位周长上受力 2 Q P R 式子中 Q 支点反力 R 轮带内半径 图 3 6 筒体载荷均匀分布在轮带上 2 余弦分布曲线 苏联学者 Kahmopohuz 和日本学者 Inoue k 等假定筒体对轮带的压力按余弦 规律分布 即筒体作用在轮带单位周长上的压力为 0 cosPq 式子中 以过筒体圆心的垂直轴上半轴为起始角的任意角 q0 筒体最下部 的压力 如图 3 7 所示 2008 届本科生毕业设计 第 28 页 图 3 7 筒体载荷按余弦规律分布在轮带上 3 复合分布曲线 一般认为筒体对活套轮带的压力分布为复合曲线 即筒体作用在单位周长上 的压力为 cos Q Pk R 其中 筒体和轮带的脱离角 一般取 30 Q 1 cos 2sin k 支点反力 R 轮带内半径 压力分布如图 12 2008 届本科生毕业设计 第 29 页 图 3 8 筒体对轮带压力的复合分布曲线 上述各种假定都有一定道理 但也有不足之处 如第一种假设只适合轮带以 铆接等方式固定在筒体上的情况 而不适合于活套轮带 第二种设定没有考虑轮 带和筒体径向变形对压力分布的影响 28 3 2 23 2 2 模型的建立模型的建立 关于轮带的力学行为 国内外有许多学者作过解析分析 推导出各种简明的解 析式 得到的轮带截面弯矩图形状差别不大 只是系数有所不同 计算的截面位移 图都为平放椭圆 但长短轴有别 大多数解析法求解轮带的受力是采用图 3 9 所 示的力学模型 即把轮带的一半作为曲梁来考虑 这样求解轮带存在一些问题 求解时取最低点为固定端 这与轮带被支承在托轮上的实际情况有出入 没 有表征轮带在托轮支承处的变形有变向拐点的特点 不考虑轮带横断面各点差别 相 应的应力未能计入 因此有必要对轮带进行有限元分析 研究其应力应变的分布 状况 2008 届本科生毕业设计 第 30 页 图 3 9 解析法模型 图 3 10 建模坐标系 在图 3 10 坐标系中 轮带的结构和载荷都对称于 XOY 平面和 YOZ 平面 因此 可取轮带的四分之一来分析 取 X 0 Z 0 的部分建立分析模型 取一档进行建 2008 届本科生毕业设计 第 31 页 模分析 1 输入轮带的几何参数 宽度 Br 1000mm 内径 3042 31mm 外径 3525 94mm 采用由下往上的模 式建立模型 2 输入材料参数 弹性模量 210GP 泊松比 0 3 密度 7800kg m3 3 2 33 2 3 离散处理离散处理 回转窑主体部件是指托轮 滚圈和筒体 托轮和滚圈是体结构 有限元建模 时宜采用实体单元 筒体是壳体结构 有限元建模时宜采用壳体单元 由于托轮 和滚圈的曲线型结构 如果采用直边实体单元进行离散 用直线模拟曲线 只有 网格划分得非常细 才能获得较高的分析精度 分析中选用 ANSYS 提供的 so1id95 单元 它是一种高精度的 3 维 20 节点等参数单元 Solid95 曲面边界能 够较好地逼近结构的曲面边界 且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数 特别适应结构形状不规则 应力分布或变形复杂的情形 Solid95 有相容的位移 形状 适用于曲线边界的建模 每个节点有沿节点坐标系 x y z 平动的 3 个自 由度 Solid95 有塑性 蠕变 应力强化 大变形和大应变功能 对 20 节点的实体块单元是以二次函数作为位移模式 在边界棱上呈二次变 化 满足协调条件 充分条件 并包含了常数项 必要条件也得到满足 因而保 证了收剑性 单元网格划分采用映射网格 3 2 43 2 4 约束和加载约束和加载 1 约束处理 约束条件即边界条件 ANSYS 的约束是作为一种载荷来处理的 即可以施加在 2008 届本科生毕业设计 第 32 页 实体模型的对象即点线 面 体上 也可以施加在 EFA 模型的节点和单元上 对 于本轮带分析模型 要施加下列约束 a 由于轮带是取四分之一部分建模的 所以 XOY Z 0 平面上的节点沿 Z 方 向的位移为 0 YOZ X 0 平面上的节点沿 X 方向的位移为 0 b 轮带支承在托轮上 因此 轮带外表面与托轮接触的各点沿径向的位移为 0 2 载荷处理 轮带的载荷包括自重和筒体的压力 其处理方式如下 a 轮带的自重作为体积力分散到各个节点上 b 筒体对轮带的压力按余弦分布 参见图 3 11 cos Q PK R 式中 Q 单位长 轴向 垂直方向的载荷 N P 轮带周线上的分布载荷 N m R 轮带外径内径的平均值 m 压力的分布角 如图 3 11 所示 k 系数 与接触角 见图 8 即 有关 1 cos 2sin k 表达的是筒体对滚圈的压力分布公式 称之为余弦压力分布公式 应用中通 常将接触角按 30o选取 图 3 11 轮带与筒体的连接受力分析图 3 2 53 2 5 求解求解 2008 届本科生毕业设计 第 33 页 打开 ANSYS 软件 按照以上的数据和分析 建立有限元模型 mesh 划分网 格 使用映射网格划分 加载荷和约束 Main menu solution solve current LS 单击 ok 等待分析完成 在后处理 plot results deformed shape 显示轮 带的变形图 其他的分析结果也可以类似的得到 如等值应力图 等值位移图等 GUI 操作过程 1 启动 ANSYS 选取工作目录 定义工作名称 jobname 2 参数过滤 选取 structural ok 3 进入前处理 选择单元类型 element type add solid solid 92 20n ok 4 定义材料属性 Preprocessor material props material models liner iso 设置弹性模型为 2 1e11 泊松比 0 3 density 7800 ok 5 建立模型 1 建立一条直线 modeling create keypoints in active cs No 1 xyz0 0 0 no 2 xyz 0 0 0 5 Create lines straight line by keypoits pick 1 2 ok 2 建立轮带的面 Create area circle by dimension 内径为 3 042 外径为 3 5255 弧度为 90 到 90 3 拉伸成体 volumes operate extrude area along lines pick area 1 pick line 1 ok 轮带的体建立 4 划分网格 mesh meshing mesh cntrls manual size lines pick 轮带的外表面较长的边 ndiv 值为 40 最短的边设为 3 mesh volumes