【《基于ANSYS软件的带式输送机滚筒计算设计及建模探究》12000字】

基于ANSYS软件的带式输送机滚筒计算设计及建模研究目录TOC\o"1-3"\h\u9069基于ANSYS软件的带式输送机滚筒计算设计及建模研究 116214摘要 26108第一章绪论 3258481.1国内外带式输送机及传动滚筒的发展概况 3100541.1.1国内外带式输送机的发展概况 3117861.1.2国内外传动滚筒的发展概况 567801.2研究传动滚筒的目的与意义 734981.3本文的主要研究内容 7186191.4本章小结 820303第二章带式输送机滚筒的分类和受力分析 8327492.1滚筒种类及结构 876662.2传动滚筒的工作原理 10321142.3传动滚筒的受力分析 1258162.4滚筒失效及许用应力的确定 13138942.4.1传动滚筒失效形式 1375292.4.2失效产生的原因 13160742.4.3许用应力的确定 1476082.5带式输送机运行阻力 1485622.6本章小结 1414248第三章传动滚筒的机构设计 15184423.1滚筒筒壳的设计 15144073.1.1直径的确定 15297143.1.2筒壳的宽度与厚度 1523303.2传动滚筒轴直径的计算 16263623.3辐板厚度的确定 18214733.4轮毂尺寸的确定 1985213.5本章小结 1917832第四章有限元法简介 2061334.1CAE软件简介 20295054.2有限元法的基本概念 21310894.2.1有限元分析 21129494.2.2有限元模型 21103044.2.3自由度 2159974.3有限元法的思想及特点 22325254.3.1有限元法的基本思想 23306304.3.2有限元法的特点 23211464.4程序结构 24148344.4.1文件格式 2420474.4.2输出文件类型 2429514.4.3输入方式 2525804.5ANSYSWorkbench概述 25154734.6Workbench应用分类及分析的基本过程 25325084.6.1ANSYSWorkbench应用分类 25162344.6.2ANSYSWorkbench分析的基本过程 26264034.7有限元分析结果误差分类 27290184.8本章小结 2722844第五章滚筒有限元模型的建立与分析 28117615.1材料设置与实体建模 28273805.1.1材料设置 2886965.1.2实体建模 2852385.2材料定义与网格划分 2944305.2.1材料定义 2933275.2.2网格划分 29137425.3约束与载荷 32207475.4结果分析 33175775.5本章小结 3718143结论 3823682参考文献 40摘要带式运输机在实践过程中主要用于散料的输送，作为一种高效的输送装置，当前在社会经济活动中获得了越来越广泛的应用，不仅在煤矿以及电力的运输上发挥着重要的作用，并且在冶金和港口等经济活动领域也扮演着重要的角色。从带式输送机的组成结构来看，传动滚筒作为其内部构造的一大部分，其运作的基本性能对于带式输送机工作的安全程度和可靠程度有着极为重要的影响。目前，带式输送机的输送距离越来越远，承载的货量越来越多，运作的速度也越来越快，因此必须设计出更为科学、高效的大型传动滚筒，来支撑带式输送机的运作。因此，本次研究主要基于ANSYS软件在对其进行设计和研究，以期为后续传动滚筒的开发和研究提供些许参考和经验。从带式输送机的内部构造来看，滚筒是其最为重要的传动部件。滚筒的内部构造不仅包括滚筒轴和辐板，还包括轮毂和筒壳。对于改向滚筒来说，其承载的外载荷总体来看不是非常复杂，法向的均布载荷是其主要的外载荷；但是对于传动滚筒来说，其不仅承载了法向载荷，还承载了切向载荷，这两种载荷沿着圆周轨迹呈现出动态变化的状态。尤其对于滚筒来说，其内部构造极为复杂，受到装配应力的作用，解析法很难对其进行有效地计算和设计，因此计算方法匮乏的情况下，通常会产生一个数值比较大的安全系数，导致滚筒在尺寸、重量上都进一步提升和扩大，然而其强度却未能因此提升。由于有限元技术计算的效率比较高，并且计算结果的精度也有保障，因此这一技术都能满足一些其他技术存在的空缺，近些年在工程建设领域也越来越常见，在滚筒设计方面，这一方法也具有极强的实践价值。关键词：带式输送机，传动滚筒，有限元分析第一章绪论1.1国内外带式输送机及传动滚筒的发展概况1.1.1国内外带式输送机的发展概况带式输送机在运作的过程中，主要通过胶带来起到牵引和承载的作用，作为一种连续输送的机械，这一机器不仅在煤炭和化工领域得到了广泛的实践，并且在冶金以及交通等领域也发挥着重要的作用。上世纪七十年代，就已经出现了可以输送一百千米距离的带式输送机。和其他类型的运输装置比起来，带式输送机一方面可以承载的货量比较大，并且可以输送的距离比较远，运输过程中的可靠性也更强，这一器械的运输方便进行自动化地管理和控制，正因如此，带式输送机在发展的过程中正逐渐地替代以汽车为代表的传统运输装置，在煤矿等领域发挥着越来越重要的作用。当前，这一装置在发展的过程中不断地改进和调整，越来越变得大型化，并逐渐走向了专有化。如图1.1所示。图1.1带式输送机这一运输装置在国外近些年也迅速普及，不仅有管状的带式输送机，并且还有大倾角等各种其他类型，其在现实实践的过程中，应用的范围呈现出不断扩大的态势，并且其功能也更为丰富。除此之外，当前国外所使用的带式输送机一方面在承载的货运量上面有了很大的提升，并且其运作的速度以及距离也不断地提升，越来越走向大型化的方向。由于这一装置在发展的过程中不断地调整自身的技术和装备，所以相关方面的研究也取得了一系列的成果，其安全程度以及可靠程度在发展的过程中逐渐获得了极大的提升。当前，澳大利亚在进行铝矾土矿作业的过程中，采用的带式运输机已经实现了距离上的一大跨步，其可以运输的距离达到了30.4千米；德国在进行户外煤矿开采的过程中，使用的带式输送机在作业的过程中，其运送的容量可以达到37500t/h,其运送的速度可以达到7.4m/s[1-3]。我国关于带式输送机的研究和西方国家比起来，开始得比较晚，从上世纪八十年代末期一直到现在，带式输送机在我国的煤矿作业领域正发挥着越来越重要的作用，一开始主要以SDJ和SSJ等类型为主，后来逐渐出现了多样化的类型系列，其输送的效率在发展的过程中也不断地提升。最近几年，我国在各行各业使用的带式输送机不仅在产量上呈现出越来越多的趋向，并且其应用的领域也越来越多，无论是煤矿的开采还是电力的运输，亦或是钢铁冶金领域，带式输送机都存在极大的市场缺口。另外，带式输送机在以巴西和印度为代表的国外市场上，也受到了广泛的欢迎。现有数据显示，带式输送机在过去几十年的时间里产量不断地提升，一直到2009年，其产量甚至突破了八百万，不仅在装置的类型上进一步丰富，并且技术含量也进一步地提升。当前，环保已经越来越成为全球发展的重要理念，在这一发展形势下，各种类型的煤矿产业以及水泥产业逐渐崩溃，而高新技术产业则迎来了市场发展的先机，带式输送机在这一背景下，其技术含量不断地提升，运作的效率也有了极大的改进。其中，该装置在煤矿作业的过程中，其技术层面的标准可以参见表1-1。表1-1国内带式输送机主要要求主要参数可伸缩带式输送机固定式强力带式输送机运距/m带速/m.s-1输送量/t.h-1驱动中功率/Kw1000-20002-3.5800-1800250-7501000-40002.5-41000-2000750-1500和国外比起来，当前我国的大型带式输送机虽然已经在运作效率上有了极大的提升，但是在核心技术层面仍有待进一步地提升，比如其皮带机动态分析与检测等技术方面存在的不足，在某种程度上限制了其进一步地发展。除此之外，带式输送机在运作过程中的可靠程度还存在不足，并且其运作的寿命和国外相比也存在差距，另外其技术的性能上也有待进一步完善，各种保护、监控装置，以及运输的能力方面，都未能达到国外的水平。在这一发展现状下，相关领域的研究可以说势在必行，通过对进行系统研究，以此来保证其运作的高效，并保证不同零部件的工作状态，以此开拓其在现实层面的实践范围。1.1.2国内外传动滚筒的发展概况从滚筒的构造上来看，其除了有外壳、轴以及轴承座以外，还包括轮毂以及辐板。从带式输送机的类型上来看，滚筒主要分为两种，一种是传动滚筒，另一种是改向滚筒。其中前者一般被设置在机头和机尾的地方，以此来带动皮带，从而产生传动效果；后者则直接对输送带的运动方向进行调整，或者是直接提升输送带和传动滚筒这二者之间的包角，通过改向的方式来进行运作。除了这两种类型之外，还有一种张紧滚筒，主要通过拉紧改向滚筒来进行运作。伴随着人类的进步和社会的发展，机械的设计制造水平也在不断提高。滚筒作为带式输送机的重要部件，在近几十年的不断研究中也得到了迅速发展。尤其是大型滚筒，由原来的铸焊结构发展到焊接结构。滚筒的辐板可由钢板直接制成，无需再使用加强筋。在滚筒轴与轮毂的连接方式上，也逐渐由胀套连接逐渐代替键槽连接[7]。上世纪60年代开始，国外的一些国家在滚筒的研究和设计上便已经总结出了一些经验，其中以Lang为代表的几位研究人员围绕着滚筒展开研究，通过半解析法的方式对其设计展开深入探索，但是这一方式也存在一定的不足，即没有办法对不同零部件的特性及其相互之间产生的影响进行系统研究；除此之外，以Linder为代表的学者则基于有限元的分析方式，来围绕着滚筒展开综合评估和检测，对其在现实应用的基本状况展开阐述，这一研究方法作为信息化时代下的一大产物，当前在进行滚筒受力研究的这一领域获得了普遍的应用[8-9]。我国和国外的一些国家比起来，对于滚筒设计的研究开始得相对来说比较晚，伴随着近些年互联网技术的不断发展，各种技术手段层出不穷，滚筒的研究与设计方面的研究方法也越来越丰富。二十世纪八十年代，于忠升[10]等诸位研究人员围绕着滚筒中的辐板来展开研究，基于有限元半解法的方式来对其进行分析，并且基于此设计相关模型，这一计算方法虽然可以减轻计算的任务，但是结果的精确程度却也会因此受到影响，并且这一计算方法忽视了传送带在现实运作的过程中可能与滚筒产生的摩擦，从而使最终的结果对于现实的借鉴意义不大。刘金依[11]等学者在对滚筒进行研究的过程中，主要以顺槽可伸缩式带式输送机为准，基于PRO/E软件来进行研究，并结合有限元分析软件ANSYS，以此来对应力的变动以及分布的规律进行综合研究，从而得出其在实践过程中比较多见的失效形式，以此为现实实践提供一定的数据支撑。荀兵[12]根据其现实实践的经验，基于SolidWorks这一软件，设计出了专门的装配模型，来对滚筒进行综合分析。另外，还结合COSMOS/WORKS这一有限元分析软件，来对其展开静力、模态的研究和分析，基于最终结果，来分析传动滚筒在其组成结构以及性能上的基本特点，从而完善其在现实操作过程中的一些不足。由安徽理工大学陈清华[13]等人在软件SolidWorks中建立带式输送机传动滚筒的三维模型，利用COSMOS/WORKS软件对模型进行有限元分析，基本了解了传动滚筒的受力和变形情况。根据计算结果，改变滚筒壁厚这单一变量介绍了传动滚筒优化设计的过程。曹云露[14]等人利用COSMOS/M2.0有限元分析系统，对传动滚筒进行整体建模并作有限元分析。丁财进等人[15]采用ANSYS有限元分析软件对西北煤机厂设计的带式输送机传动滚筒在正常工作情况和逆止情况下分别进行了静力分析，得到滚筒的应力分布规律。东北大学的李佳等人[16]对传动滚筒建立了动态非线性模型，提出了滚筒在载荷作用下沿轴向和周向的受力分布规律，进行有限元分析，计算结果与实际情况比较接近。1.2研究传动滚筒的目的与意义 传动滚筒这一部件在带式输送机运作的过程中发挥着极为关键的作用，但是这一部件在运作的过程中却很容易产生损坏，这导致带式输送机在运作的过程中很容易出现问题，特别是面临一些比较恶劣的工作环境时，传动滚筒在使用过程中的消耗更为严重，其寿命也会更短。因此，对于滚筒设计进行优化，以此来延长其使用的寿命，这对于带式输送机的正常运作来说极为关键。目前，我国在对滚筒展开研究和设计的时候，主要基于公式法的方式来展开设计，但是这一研究方式也存在一定的弊端，即没有办法对各个零件的性能及其相互之间产生的影响进行研究。因此，在实践的过程中，考虑到滚筒运作的安全程度及可靠程度，一般会对其结构以及尺寸进一步地扩大，这种操作会导致滚筒总体的重量提升，然而其对于实际问题的效果却比较有限。有限元分析的方式总体来看，和现实操作过程中的工程实际接近程度比较高，然而也存在一定的缺陷。但是不妨碍其在驱动滚筒研究的过程中，仍然是一种比较常见的方法。这种研究方法可以对滚筒的内部结构以及实际尺寸作出调整，从而尽可能简化设计者的设计流程，减少在设计上花费的时间。1.3本文的主要研究内容本篇论文的研究内容主要如下：(1)围绕着带式输送机展开研究，对传动滚筒这一滚筒类型进行研究，对其受力情况以及内部的结构进行综合设计。主要对其内部结构、滚筒的类型以及受力状况进行分析，并据此阐述其主要的失效形式，并总结其出现失效状况的原因。(2)对传动滚筒展开有限元分析，并对这一研究方法进行基本阐述，结合大型滚筒的实践情况，设计其有限元分析的模型，并且结合模型来对其进行综合评估，根据其应力的动态变动情况，设计出相应的变动曲线，以此来为现实的设计和实践提供一定的参考和借鉴。1.4本章小结简要介绍了带式输送机及传动滚筒的国内外发展概况，指出与国外相比在关键技术，技术性能等方面存在的一些差距，提出了研究传动滚筒的目的和意义，并阐述了本文研究的主要内容。第二章带式输送机滚筒的分类和受力分析2.1滚筒种类及结构滚筒结构设计的合不合理将直接影响工作人员的使用，为了使设计安全合理，满足人们的生产生活需要，带式输送机滚筒有以下分类：根据负载的大小决定驱动方式的选择，有单滚筒，双滚筒和多滚筒。按驱动方式分为外驱动式和内驱动式。包胶滚筒按照滚筒表面包胶后的形状又可分为：光面包胶滚筒、人字形沟槽包胶滚筒和菱形包胶滚筒。人字形沟槽包胶滚筒如图2.1所示，菱形包胶滚筒如图2.2所示。图2.1人字形沟槽包胶滚筒图2.2菱形包胶滚筒滚筒是带式输送机必不可少的成分，根据研究人员研究的不同方式将滚筒分为以下两种方式：一种是全焊结构，如图2.3所示；另一种是铸焊结构，如图2.4所示，图上黑点处为焊接位置[3]。图2.3全焊结构图图2.4铸焊结构图首先传动滚筒在我们日常生活中比较常见，中国有很多家公司生产制造各种型号的传动滚筒，研究起来比较方便；其次传动滚筒适应场合的优先级要大于改向滚筒，应用的领域比较宽泛，价格成本也相对便宜。所以本篇文章研究传动滚筒。带式输送机传动滚筒结构如图2.5所示。1-筒壳2-轴承座3-胀套4-滚筒轴5-轮毂6-辐板图2.5传动滚筒结构图2.2传动滚筒的工作原理在带式输送机中，滚筒以摩擦力传递动力，这与带传动原理在本质上可以说是一致的。为了研究方便将其转化为带传动原理。传动滚筒等同于主动轮，改向滚筒等同于从动轮。带传动不工作时，带两边的初拉力相等(图2.6a)；工作时，主动轮以转动，带和带轮接触面产生摩擦力，使带的一边的拉力增大到，称为紧边拉力，另一边的拉力减小到，称为松边拉力(图2.6b)。两者之差，称为带的有效拉力。设带的总长度不变，而且带的弹性模量为常数，则紧边的拉力增加量等于松边拉力减少量,即(2-1)由式(2-1)和带的有效拉力得：(2-2)(2-3)图2.6(a)静止时图2.6(b)工作时图2.6带传动原理图忽略带的离心力和带的伸长我们来分析带上微小弧段的受力平衡情况，见图2.7。图2.7带的拉力分析图由力的平衡条件：水平方向(2-4)垂直方向(2-5)很小时，取，，略去二阶微分。将式(2-4)带入式(2-5)，则(2-6)(2-7)两端积分得：(2-8)(2-9)式中：：输送带转过角度时的张力；：带在轮上的包角；：输送带与滚筒间摩擦系数；：输送带分离点的张力；：自然对数的底，取为2.718；小轮包角：(2-10)式中：：两带轮中心距；：分别是两轮轮槽的基准直径；带的有效拉力：(2-11)将式(2-2)带入式(2-11)，整理后得到带传动的最大有效拉力如下：(2-12)为保证带传递功率的能力，设计时要求围包角不能过大也不能过小；当带传动的有效拉力时，带会打滑。2.3传动滚筒的受力分析传动滚筒受力如图2.8所示。围包角为，输送带的张力差值由欧拉公式可知，输送带的张力为:(2-13)图2.8张力图解滚筒表面摩擦力为：(2-14)滚筒表面上的压力为：(2-15)2.4滚筒失效及许用应力的确定2.4.1传动滚筒失效形式传动滚筒故障的原因有下面几类[17-21]：（1）裂纹（2）局部变形过大（3）压裂2.4.2失效产生的原因滚筒失效有以下几点原因：(1)长期不正确、恰当的使用;(2)制造的原材料放置时间过长出现问题；(3)生产的时候没有严格按照工序；(4)生产者在加工时出现失误；找到失效的原因，对症下药。下面有几种可借鉴的方法：(1)改良滚筒焊接结构，避免出现应力集中、缩松缩孔等现象。(2)采用先进的焊接方法，如激光焊接。(3)采用先进的检验工艺，如射线或超声波。2.4.3许用应力的确定滚筒的原材料一般采用Q235-A号钢材，铸造接盘材料普遍为ZG35。进行筒体计算的时候，往往会引入安全系数。滚筒制造商一般取安全系数在1.5-1.8之间，许用应力为140MPa。2.5带式输送机运行阻力带式输送机运行阻力[21]是主要阻力，附加阻力，提升阻力，和特种阻力的和。(2-16)带式运输机的阻力粗略计算如下图所示图2.9带式输送机运行阻力2.6本章小结本章首先对滚筒的结构与分类作了简单的介绍，然后介绍了带传动的一些原理和受力分析，分析了传动滚筒失效形式、失效原因以及许用应力的确定。第三章传动滚筒的机构设计3.1滚筒筒壳的设计3.1.1直径的确定制造滚筒筒壳主要有两种方式：一类是焊接，另一类是铸造。焊接的方式有很多弊端。比如操作者技术不娴熟焊缝没处理好，滚筒会因此断裂而失效，所以在生产生活中绝大部分采用铸造滚筒。选用铸造滚筒有很多优点：其一成本低廉，方便大规模集成作业；其二铸造安全可靠性高，能满足生产生活需要。输送带许用比压的滚筒直径[22-23]：(3-1)式中：筒壳直径，mm；：钢丝绳间距，mm；：输送带绕入端张力；：输送带绕出端张力；：输送带围包角；：钢丝绳直径；：许用比压；：输送带宽度；3.1.2筒壳的宽度与厚度筒壳厚度可以查阅机械设计手册，见表3-1。筒壳上轴向应力和周向应力的方向如图3.1所示。滚筒外壳设计形状很有讲究。其一是避免磨损，增大散热面积；其二减少转动阻力，提高工作效率。滚筒壳宽度的选取根据经验计算，即(3-2)式中：输送带宽度；：筒壳宽度；表3-1筒壳厚度筒壳直径/mm筒壳长度/mm1800200024002800630161880018202222100020222424125020222426150022242426180022242628图3.1筒壳上的受力分析筒壳的轴向应力：(3-3)筒壳的周向应力：(3-4)式中：：两辐板中心线间距；：筒体厚度；：轴向系数；：周向系数；根据上面的图、表和公式可以大体上计算出某一特定滚筒的基本尺寸。3.2传动滚筒轴直径的计算滚筒轴受力简图如下图所示：图3.2滚筒受力简图按强度滚筒直径为[24-27]：(3-5)得(3-6)式中：轴承中心到轴承的距离；：胀套工作长度；：输送带许用比压的滚筒直径；：单个轴承的载荷；：轴上的作用力；：抗弯截面模量，：抗扭截面模量，：合力产生的扭矩；：许用应力，其中：疲劳极限；：计算疲劳的安全系数；(2)按刚度计算公式[28-30]：(3-7)得：(3-8)式中：轴弯曲产生的挠度，取;：材料的弹性模量；：两轴承中心线间距；：轴惯性矩；两个公式计算出的结果，取较大值作为轴的计算值。3.3辐板厚度的确定辐板可单独制作，或与轮毂铸成一体的盘状结构。辐板作为滚筒外壳与轮毂的连接，可采用焊接方式与滚筒外壳连接，用螺栓与轮毂连接。辐板厚度的计算式为[31-34]：(3-9)式中：辐板处滚筒轴的转角，rad；：轴承到轮毂间距；：运距；：材料弹性模量；：轴惯性矩，：单个轴承的载荷；：无因次系数，：内外径比率系数，：辐板内径，即轮毂外径；：辐板外径，即滚筒壳内径；如图3.3所示图3.3等截面辐板保证，这样才可以提高滚筒的使用寿命。3.4轮毂尺寸的确定根据实际生产工况来确定轮毂直径，即(3-10)式中：轮毂内径；：代表计算系数，：轮毂与胀套之间的压强，；：轮毂屈服极限，；：形状系数，；当传动滚筒采用胀套连接时，就是胀套外环与轮毂间的压强。(3-11)按上述方法确定的轮毂外径存在一些偏差，在实际操作中可根据经验来适当增加尺寸。3.5本章小结本章主要介绍了滚筒轴径、筒壳宽度和厚度、辐板厚度和轮毂内外径的计算公式，以及轮毂与轴之间连接方式的选择。第四章有限元法简介4.1CAE软件简介在CAE技术没出现的时候，传统的产品设计流程往往都是首先由客户下单，告诉我们如何加工以及加工中的细节，然后由产品设计工作人员对你进行产品概念设计,之后再由产品工程设计人员对你的产品方案进行详细化的设计。等设计方案完全确定下来，开始对产品进行加工以及产品的二次修整。由图4.1所示。图4.2所示为引入CAE后产品设计流程图。图4.1传统产品设计流程图图4.2引入CAE后产品设计流程图我们开发一款软件，往往需要做大量重复的试验。试验本身具有很多不确定因素，这就导致了开发者困扰如下：(1)试验发生的历程很短，很难观察试验过程的现象。(2)测试条件难以控制，试验的重复性很差。4.2有限元法的基本概念4.2.1有限元分析有限元方法的建立聚集了众多学术人员的智慧结晶，耗时10年。它的建立标志着对于复杂问题的求解上升到了一个新的高度。有定性到定量，史诗级的跨越，一座人类历史的丰碑。到目前为止，有限元分析理论已经经历了一个世纪的验证。它的严谨性、精确性和正确性已经毋庸置疑。现已成为世界上最经典的理论之一。4.2.2有限元模型有限元模型如图4.3所示，有限元模型可以看作是真实结构的一种分格。4.2.3自由度自由度(DegreeofFreedom,DOF)用于描述一个物理场的响应特性。如图4.4所示。不同的物理场需要描述的自由度不同，如表4-1所示。图4.3有限元模型图4.4结构自由度表4-1学科方向与自由度学科方向自由度结构位移热温度电电位流体压力磁磁位以下列出常用单元之间传递的自由度信息。(1)三维杆单元(铰接)UX,UY,UZ；(2)三维实体结构单元UX,UY,UZ；(3)三维梁单元UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ；(4)三维四边形壳单UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ;(5)三维实体热单元TEMP。4.3有限元法的思想及特点4.3.1有限元法的基本思想在自然科学和工程领域中有大量的复杂问题等待着有限元法解决。基于数学思维建立相对应的数学模型(基本方程、求解域和边界条件等)，接下来应用有限元法对数学模型求解并验证结果的正确性。以上基本思想可简单概括为如下3点:(1)数值近似;(2)离散化;(3)划分网格；如下图所示。图4.5有限元法划分网格示意图4.3.2有限元法的特点(1)对于复杂几何构形的适应性。图4.6所示为一个三维实体的单元划分模型。图4.6三维实体的单元划分模型(2)对于各种物理问题的适用性。图4.7所示为一个热应力问题。图4.7热应力问题(3)建立于严格理论基础上的可靠性。(4)适合计算机实现的高效性。4.4程序结构ANSYS系统把各个分析过程分为一些模块进行操作，一个问题的分析主要可以经过这些模块的分步操作实现，各个模块组成了程序的结构。4.4.1文件格式ANSYS中涉及到的主要文件的类型及格式如表4-2所示。表4-2文件的格式及类型文件的类型文件的名称文件的格式日志文件Jobname.LOG文本错误文件Jobname.ERR文本输出文件Jobname.OUT文本数据文件Jobname.DB二进制载荷步文件Jobname.Sn文本单元矩阵文件Jobname.EMAT二进制4.4.2输出文件类型一般来说不同的分析类型有不同的文件类型，除上面列出的文件外，表4-3列出了ANSYS分析时产生的临时文件类型。表4-3临时文件类型文件名称文件格式文件内容ANO文本图形窗口命令BAT文本从batch文件中输入的数据DOn文本Do-loop命令中的计数值DSCR二进制模态分析中的Scratch文件EROT二进制单元旋转矩阵LSCR二进制高级模态分析中的Scratch文件LV二进制在子结构中产生并随多个载荷矢量传递的Scratch文件LNxx二进制从sparse求解器产生的Scratch文件MASS二进制模态分析中压缩质量矩阵(子空间方法)MMX二进制模态分析中工作矩阵(子空间方法)PAGE二进制ANSYS虚拟内存的页面文件(数据库空间)PCS文本从PCG求解器产生的Scratch文件PCn二进制从PCG求解器产生的Scratch文件(n=1到n=10)SCR二进制从雅可比梯度求解器产生的Scratch文件SSCR二进制从子结构求解器产生的Scratch文件4.4.3输入方式1.交互方式运行ANSYSANSYS图形交互界面的构成有应用菜单、工具条、图形窗口、输出窗口、输入窗口和主菜单。2.命令方式运行ANSYS命令方式运行ANSYS,是在命令的输人窗口输人命令来运行ANSYS程序，该方式比交互式运行要方便和快捷，但对操作人员的要求较高。4.5ANSYSWorkbench概述ANSYSWorkbenchEnvironment(AWE)。其功能定位于:新产品的风格界面用户的软件开发环境4.6Workbench应用分类及分析的基本过程4.6.1ANSYSWorkbench应用分类1.本地应用(如图4.8所示)图4.8本地应用2.数据整合应用(如图4.9所示)图4.9数据整合应用4.6.2ANSYSWorkbench分析的基本过程ANSYS分析如图4.10所示。图4.10分析的基本过程4.7有限元分析结果误差分类有限元分析结果误差的分类情况如图4.11所示。图4.11有限元计算结果误差分类4.8本章小结本章通过对ANSYS相关的基础知识和基本理论的介绍，对本软件建立一个感性的认识。第五章滚筒有限元模型的建立与分析5.1材料设置与实体建模5.1.1材料设置我们这里使用的材料为ZG230-450，静力分析需要的参数如图5.1所示。图5.1静力分析参数图5.1.2实体建模本篇文章以某大型带式输送机为例，对其传动滚筒进行简单的有限元分析，为工程实际应用提供依据。传动滚筒主要参数如下图所示：图5.2传动滚筒参数滚筒不同部位的材料属性参数如表5-1。表5-1传动滚筒的材料参数构件名称材料弹性模量/GPa泊松比密度/筒壳ZG230-4502000.307850辐板ZG230-4502000.307850轴452100.287850胀套40Cr2060.307850使用UG三维软件画出该大型带式运输机传动滚筒的模型，保存x.t格式导入WorkBench如图5.3所示。图5.3传动滚筒模型5.2材料定义与网格划分5.2.1材料定义我们定义零件使用的材料为ZG230-450，如图5.4所示。图5.4材料定义图5.2.2网格划分本文对传动滚筒、筒壳、辐板、轴，胀套进行网格划分，划分完后有限元模型图如图5.5、图5.6、图5.7、图5.8、图5.9所示。图5.5传动滚筒网格图图5.6筒壳网格图图5.7辐板网格图图5.8轴网格图图5.9胀套网格图5.3约束与载荷模型的约束加在轴承处轴径的外圆柱面上，只保留周向转动1个方向的自由度,即约束传动滚筒3个方向的平动和2个方向的转动。一般情况下，滚筒的作用力为74kN，所受扭矩为85kNm，得滚筒所受紧边拉力=43.8kN,松边拉力=30.2kN。由挠性体摩擦传动的欧拉公式可知：(5-1)式中：摩擦系数(根据参考文献可取0.38)；：围包角内的滑动弧弧度；在静止弧内，滚筒单位面积所受压力：(5-2)在滑动弧内，滚筒单位面积所受压力：(5-3)式中：从分离点算起所成弧度；：滚筒直径；：输送带宽度；边界约束如图5.10所示。图5.10边界约束图5.4结果分析由有限元分析得到滚筒的应力图，变形图，应变能和等效塑性应变分别如图5.11、图5.14、图5.15和图5.16所示。图5.11传动滚筒变形云图如图5-10为根据滚筒工作状态，将滚筒两端轴设置为固定约束，加载滚筒受到的合力，上边为43800N，下边为30200N的位移分布图，从应力图中可以看出滚筒的应力分布，滚筒变形图可知滚筒的最大变形在滚筒与输送带接触区域的中部。其中滚筒中部径向变形图如5.12可知，最大位移位于上部为0.0531mm。滚筒轴向变形位移曲线如图5.13。图5.12传动滚筒中部径向变形曲线图5.13传动滚筒轴向变形曲线保证设计的合理性以及不被破坏的前提下，满足以下要求=0.0531，挠度计算公式如下：5-4由计算参数参数可知=2000mm，得到许用挠度≈0.7143mm，所以设计符合要求，可以正常使用，满足日常的需求。图5.14传动滚筒应力云图根据滚筒工作状态，将滚筒两端轴设置为固定约束，加载滚筒受到的合力，上边为43800N，下边为30200N。分析此图可以得出以下结论：滚筒整体最大应力为100.43MPa，滚筒壳的材料为ZG230-450，屈服强度为230MPa，小于屈服极限230Mpa，符合设计要求。图5.15应变能图根据滚筒工作状态，将滚筒两端轴设置为固定约束，加载滚筒受到的合力，上边为43800N，下边为30200N的应力分布图，从应力图中可以看出滚筒的应变能分布，应变能最大为7.7185mJ。图5.16等效塑性应变图根据滚筒工作状态，将滚筒两端轴设置为固定约束，加载滚筒受到的合力，上边为43800N，下边为30200N的应力分布图，此图中等效塑性应变最大为0.00063522mm/mm。5.5本章小结本节对滚筒进行了静力分析，分析了滚筒的应力、变形、应变能和等效塑性应变等几项参数。根据绘制的云图可以看出滚筒的设计基本满足设计要求。结论本文首先介绍了带式输送机及带式输送机用滚筒的国内外发展状况，指出国内产品与国外在技术性能安全可靠上存在的一些差距，提出了研究带式输送机滚筒的目的和意义，对滚筒进行分类和受力分析，然后利用ANSYS软件对传动滚筒进行有限元分析，对今后传动滚筒的设计制造提供了理论基础和数据依据。得出以下结论：第一、详细地介绍了传动滚筒的基本结构和分类,对于传动滚筒的受力计算方法进行了分析,总结并推导得出了传动滚筒的受力计算公式。第二、分析传动滚筒的失效形式及其失效的原因,对其结构进行了整体设计,总结了传动滚筒筒壳、滚筒轴、辐板、轮毂和膨胀套之间的尺寸计算公式与其相应的关系,为传动滚筒进行有限元分析和设计提供了大量资料和数据学研究依据。第三、以一种类型的大型传动滚筒设计作为实际案例对其进行了有限元分析,详细地介绍了对滚筒的建模、单元选取、网格区域划分、载荷施加及其求解等方面的分析工作流程,为传动滚筒设计提供依据。参考文献[1]王鹰等.长距离大运量带式输送机关键技术及国内发展现状[J].起重运输机械，2005（11）：1-4[2]E.S.Umanskii,G.L.kalikhman.Experimentalinvestigationofthestressconditioninbeltconveyordrums[J].StrengthofMaterials,1997,2(7)[3]Harrison.BeltConveyorResearch1980-2000[J].BulkSolidsHanding,2001,21(2):159-164[4]杨达文，庞禹东，赵玉顺，等.国内外煤矿带式送机的现状及发展[J].煤矿机械，2002（1）：1-2[5]M.R.Kumar.Studiesonconveyorpulleydesignusingfiniteelementmethod[D].india:ⅢMadras,1995[6]GLodewijks.DesignofHighSpeedBeltConveyors[J].BulkSolidsHanding.1999,19(4)[7]崔志远．传动滚筒的力