【颚式破碎机偏心轴参数化有限元模型分析案例5100字】

颚式破碎机偏心轴参数化有限元模型分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u1879颚式破碎机偏心轴参数化有限元模型分析案例 135341.1有限元技术参数化建模方法 1149341.1.1有限元的基本思想 1241701.1.2有限元的具体分析步骤 2309341.1.3有限元方法的特点 2190811.1.4有限元分析软件ANSYS简介 350521.1.5参数化技术简介 3229581.1.6参数化语言APDL 3199451.2颚式破碎机偏心轴有限元模型及相关技术 4243141.1.1偏心轴的单元类型的选择 4252641.1.3偏心轴参数设置 7292501.1.4有限元参数化建模 9299801.1.5偏心轴模型的网格划分 1048101.1.6偏心轴约束方式的设置 13220811.1.7偏心轴的荷载 15186291.3小结 161.1有限元技术参数化建模方法有限元分析方法诞生于结构分析理论。由于有限元分析法广泛的实用行和有效性，有限元法取得不断的发展和完善，到现在为止，有限元分析法已经成为处理连续介质问题最常用的技术手段之一，其应用范围也逐步扩大。目前，弹性力学已扩展到流体力学，传热和其他连续介质力学领域。它在处理热传导，电磁场和其他问题中也有较好的应用。1.1.1有限元的基本思想有限元法的基本思想:物体本身在现实中实际上是连续的，为了更加便于计算（当今计算机已经具有不小的计算量），将连续的物体分离成有限个单元，并按照一定模拟现实状况的规则对这些单元进行排列和连接，这样，就完成了对原始物体进行模拟，从而将一个无限自由度问题简化为可以用计算机计算的纯计算有限自由度问题，最后根据变形协调条件，提出的一种求解的数值分析方法ADDINCNKISM.Ref.{06B59EFB8043408d88D42552BE74B8FE}[4]。1.1.2有限元的具体分析步骤(1)连续体的离散化离散化(2)建立单位刚度矩阵。如公式2-1所示:[K]{U}={F}(2-1)式中:K表示离散后连接单元连接成一个新的整体刚度矩阵，u表示离散系统节点位移阵列，F表示离散系统的载荷阵列。(3)根据边界条件，利用计算机，对求解方程进行求解有限元方程(方程2-1)，得到系统中各个节点的内力、应力或位移等结果。1.1.3有限元方法的特点由于有限元法的简单性和直接性以及计算结果的高精度，在工程计算的应用中显示出独特的优势。(1)对复杂结构具有良好的适应性。对于许多连续体的力分析问题，不可能简化连续体的结构。采用基本力学公式的计算结果与实际情况有较大差异，有限元法可以根据实际结构进行建模，并根据实际受力情况设置相应的边界条件。计算简单方便，计算结果也可以非常准确地模拟原始结构。(2)实际上有限元分析的方法应用在某些领域已经十分成熟，比如弹性力学，其中在飞机机身振动、塑性材料等动力学和非线性分析中的应用已经十分广泛，目前，许多学者利用有限元方法研究不同场合问题，得到了许多比较满意的结论。(3)计算参数和边界条件可以方便地由程序控制。此外，无论是模型内部还是边界处的单元，有限元方法都可以用相同的场变函数表示，当模型的边界条件发生变化时，场变函数不需要改变，这大大降低了编程的难度。1.1.4有限元分析软件ANSYS简介ANSYS软件是集许多分析于一体的大型通用有限元分析软件，涉及了如结构、流体、电磁场、声场和热场等众多分析。ANSYS软件的主要技术特点如下所示:（1）非常强的建模能力，ANSYS本身可以通过命令流实现许多种类的几何模型(特别是对于那些具有固定结构的模型)。（2）强大的求解能力，该软件包含多种求解器，用户可根据自己需求选择合适的求解器进行求解。。（3）强大的非线性分析能力。（4）强大的网格划分能力，ANSYS也提供了比较多的网格划分工具和相关设计选项，比如三角形划四边形划分，又或是四面体、六面体划分，也提供比较方便的自由网格划分，用户也可以根据需求设置需要细分的地方，既可以通过方便的GUI进行操作，也可通过命令流。（5）良好的优化能力，ANSYS软件包括了比较丰富的优化设计方法，其中2012版本及更老版本的ANSYS具有优化分析的GUI操作界面，但其功能和命令流在高版本中仍能实现其功能。（6）强大的藕合场求解能力。（7）良好的用户开发环境，在ANSYS软件中，众多GUI操作本身具有较简单的操作，每个GUI操作都会出现操作提示，并且ANSYS还提供给十分全面的帮助窗口，帮助窗口出现在每个GUI操作处，也有一个可供用户搜索查询的界面ADDINCNKISM.Ref.{0F590BE478864894B549506F4E23705A}[5]。1.1.5参数化技术简介参数化设计(pmetric)指的是一种快速建模设计方法，结构设计人员在建立基本模型结构后，只需通过改变其中的一些控制参数化就可以实现整个设计的更新，同时，设计人员可以将这个参数化设计模型用在优化设计中，这样就可以省略掉许多重复的结构性操作。1.1.6参数化语言APDLAPDL的全称是ANSYS参数化设计语言，APDL语言由主要由FORTR.AN77和多个ANSYS程序命令组成的程序语言组成。其中，FORTRAN命令用于启动、进入、循环、完成等程序流控制;ANSYS命令是为了各种功能的实现实现，主要功能是建立模型、材料类型定义、网格的控制和划分、边界条件应用、求解、和工艺计算结果ADDINCNKISM.Ref.{BEA00CB8CE054bd19D123084F9D5BB51}[6]。APDL的中心思想是参数化设计，也就是用于建立参数化模型，三维实体模型、有限元模型都可以也可以同时设置，并且可以设置前处理的划分网格和控制、材料定义、边界条件定义、求解以及后处理。这使得设计的大体框架可以根据设计要求不断进行进行更改。1.2颚式破碎机偏心轴有限元模型及相关技术1.1.1偏心轴的单元类型的选择颚式破碎机的偏心轴部件主要由整块材料加工而成，系统采用ANSYS提供的三维实体单元solid92和表面效应单元surf154进行加载处理进行建模。（1）SOLID92单元SOLID92称为3D10节点四面体结构实体单元，具有二次插值功能，可以用于不规则形状的网格划分，与SOLID95相同，而单元的关键项只有KEYOPT(5)、KEYOPT(6)、KEYOPT(9)等。图2-1SOLID92单元几何形状表2-SEQ表2-\*ARABIC1SOLID92单元输入参数与选项（2）SURF154单元SURF154单元称为3D结构表面效应单元，通常用于施加各种载荷和表面效应，比如施加圆柱表面的力或者是垂直于曲面上的力，SURF154可以覆盖在例如固体和SHEEL系列单元表面，SURF154单元的几何形状和压力载荷方向如图2-2和2-3所示。图2-2SURF154单元几何形状图2-3SURF154单元压力荷载方向（3）MASS21单元MASS21单元称为结构质量单元，每个节点有6个自由度，每个坐标轴方向可以有不同的质量和转动惯量，图2-4是MASS21的单元几何形状，由于需要在偏心轴的端部增加一个扭矩，通过增加大小相等、作用力相反的整数对等一般方法来模拟扭矩的相加，在理论上是可行的。但是，使用ANSYS进行操作非常麻烦。首先，要求圆周方向上的节点数必须是对数的。第二，由于偏心轴是参数化的，偏心轴的尺寸参数每次都会改变，节点数也会改变。如果要使用命令流来实现这个功能，是很费力的，所以使用ANSYS中应用比较广泛的施加力矩的方法:在组件中心线上选择一个节点，把这个节点被定义为MASS21单元，然后与其它应力节点耦合形成一片刚性区域，然后直接向中心节点添加扭矩，以达到向偏心轴添加扭矩的目的ADDINCNKISM.Ref.{AE947D868CB14d9dAACDBE6E135386F2}[7]。图2-4MASS21单元几何（4）偏心轴的材料属性本文的颚式破碎机偏心轴提供了五种材料选择，各材料参数如下表所示：表2-1偏心轴材料参数表材料弹性模量密度（t/mm泊松比45钢1.09e57890e-120.26940铬1.11e57870e-120.277锰钼硼1.12e57900e-120.27030铬钼1.11e57850e-120.27942铬钼1.12e57850e-120.280第二章的有限元模型和第三章相关分析都是使用的45钢材料。1.1.3偏心轴参数设置利用APDL语言实现颚式破碎机偏心轴的参数化建模，该建模过程，包含了完整地用于颚式破碎机偏心轴建立三维模型、有限元模型、属性材料定义、加载求解以及优化分析命令流和结果查看并调用保存等命令流，其中总体结构参数如表2-3所示，结构参数如图2-5所示，计算参数输入界面如图1.6所示。图2-5偏心轴结构总体示意图（1）偏心轴结构计算参数参数名称参数说明单位参数代号定义方式偏心轴重量整个偏心轴的质量T（吨）mm长度1中间段轴的长度mmL1长度2中间轴往右第2段轴的长度mmL2长度3中间轴往右第3段轴的长度mmL3长度4中间轴往右第4段轴的长度mmL4直径1中间段轴的直径mmd1用户定义直径2中间轴往右第2段轴的直径mmd2直径3中间轴往右第3段轴的直径mmd3直径4中间轴往右第4段轴的直径mmd4偏心距中间轴段轴心与端部轴心之间的径向距离mmpj键槽的尺寸端部固定飞轮的键槽尺寸mmt、c、b运行速度偏心轴的工作转速r/minro表2-3结构总体自定义参数设置图2-6计算参数输入界面（2）自定义参数为了便于颚式破碎机结构优化系统中进行运算，命令流中定义了一些中间变量和常数。自定义的参数整理汇总如表2-4所示。参数说明参数代号定义值单位偏心轴体积VVVVmm^3(立方毫米)偏心轴质量mmVV*1000*denseT（吨）轴1与轴2直径差值dd1d1-d2mm轴2与轴3直径差值dd2d2-d3mm轴3与轴4直径差值dd3d3-d4mm与动颚接触面径向载荷pre23.4N/mm^2表2-4自定义参数列表1.1.4有限元参数化建模在笛卡尔坐标系中建立模型，通过设定以上颚式破碎机偏心轴模型的尺寸得到中段的轴位置，在构建各轴段的筒体时，需要对不同位置的轴段以块为单位进行建模，而端面轴的中心应设置在z轴方向上，为端面增加扭矩做准备，最后，通过布尔运算将所有段的气缸加在一起，形成一个整体。建立这些结构所需的关键点的坐标可以用上面给出的维度和相关参数得到，通过APDL命令流，直接生成实体模型如图2-7(a)所示。图2-7偏心轴模型a(左图)、b(右图)在忽略实际模型倒角和圆角的情况下，为了更符合实际模型，键槽是在原有基础上建立的，键槽的尺寸也是参数化设计的，其位置由端面等相关参数定位，然后应用布尔减法得到带键槽的偏心轴模型，得到的实体模型如2-7(B)所示，其端面如2-8所示，并且从图2-8可以看出，全局坐标系位于端面线段轴的中心。1.1.5偏心轴模型的网格划分建立有限元模型就是对模型进行网格划分，如果网格的质量太差，就会导致计算时间过长，有的甚至会导致计算失败而退出ANSYS软件，然而，复杂的几何体的网格划分是很困难的。考虑到颚式破碎机偏心轴的不规则形状，本文选择自由网格划分。同时，有限元模型网格划分的密度也是网格划分需要考虑的一个重要因素，其求解计算精度取决于划分密度，若想要划分的模型精度越高就需要将网格划分的密度设置地越密，然而，计算量会相应增加，计算时间也会延长，因此合理的网格密度可以获得更准确的结果，并将求解时间控制在合理的范围内。ADDINCNKISM.Ref.{F195660CA04A4664A4BA72644410F4E8}[8]图2-8偏心轴模型端面左（无键槽）、右（有键槽）考虑到后期载荷施加的方便性以及优化时间的快速性，偏心轴模型采用无键槽的方案，偏心轴的几何模型如图2-9所示，一般来说，偏心轴在连接轴承的偏心轴的截面中容易产生应力集中，因此对相邻的两节轴界面进行网格细分，也会形成过大的网格，在这个表面网格尺寸以amesh表示，车身网格尺寸用vmesh表示，在偏心轴的模型中，分别施加如下约束和载荷:偏心轴的自重、轴承接触段的固定约束(包括在x，y，而z方向和旋转自由度在x，y)和扭矩149n³m在偏心轴的左侧，加载模型如图2-9所示。图2-9偏心轴加载模型图2-10偏心轴轴承段最大应力与体网格尺寸关系折线图首先，设amesh=10毫米，改变vmesh的值，得到如图2-10所示与轴承接触段的等效最大应力σ与vmesh值的变化曲线，从该图可以看出，当表面网格尺寸较小时，随着vmesh值的减小，最大应力值σ在总体趋势中有一定程度的减小(不包括偏差值vmesh=50)，并趋于持平于40，基本不变，这里选择vmesh=40毫米。在vmesh=40的条件下，得到与轴承接触段的等效最大应力σ与amesh值的曲线如图2-11所示，随着网格尺寸的减小，最大应力值σ在总体趋势中有一定程度的增加。尽管当amesh=5时应力值有很大的增加，但是溶液时间增加了大约两倍，因此，为了综合溶液精度和时间消耗，选择amesh=10毫米。图2-SEQ图2-\*ARABIC11偏心轴轴承段最大应力与面网格尺寸关系折线图1.1.6偏心轴约束方式的设置偏心轴模型的约束方法的选择非常重要，正确的约束可以得到较为符合实际的计算结果，考虑到偏心轴的实际工况，总共需要施加两处约束:偏心轴两端与轴承的接触面。偏心轴两端与轴承接触处的约束设置：表2-5偏心轴轴约束加载示意图位置XYZθXθYθZA约束约束约束约束约束自由B约束约束约束约束约束自由根据实际情况，需要在接触面上进行x，y，z，thzx，thzy5自由度，即在x和y轴上进行三个平移自由度和两个旋转自由度，仅保留z轴的旋转自由度，偏心轴约束加载图如2-12所示，约束汇总表表2-1，命令流如下：asel,s,loc,z,L1/2+L2+10,L1/2+L2+L3-10da,all,ux,0da,all,uy,0da,all,uz,0da,all,rotx,0da,all,roty,0allsel,allasel,s,loc,z,-(L1/2+L2+10),-(L1/2+L2+L3-10)da,all,ux,0da,all,uy,0da,all,uz,0da,all,rotx,0da,all,roty,0图2-1SEQ图2-\*ARABIC2偏心