管磨機(jī)有限元計(jì)算及應(yīng)力分析

前言

管磨機(jī)，作為建材、冶金、非金屬、電力等部門的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的正確的力學(xué)分析是其合理設(shè)計(jì)、制造、安裝、維護(hù)的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到管磨機(jī)本身、粉磨系統(tǒng)，乃至整個(gè)生產(chǎn)線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。然而多年來，由于沒解決好管磨機(jī)的受力分析問題，其設(shè)計(jì)上有一定的盲目性，使之運(yùn)轉(zhuǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)一些機(jī)械事故，往往使人為之困擾，不得其解。特別是近年來，為最大限度提高生產(chǎn)效率，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)備大型化、一線單機(jī)、大型關(guān)鍵設(shè)備的重要元部件因價(jià)格昂貴沒有庫存的現(xiàn)象十分常見，一旦因機(jī)械故障而導(dǎo)致整條生產(chǎn)線癱瘓，將造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。所以合理進(jìn)行管磨機(jī)的受力分析，合理設(shè)計(jì)、制造、安裝、維護(hù)、保證設(shè)備結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、動(dòng)態(tài)特性等良好的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，成為我們必須接受的挑戰(zhàn)。然而，以往作為我們進(jìn)行機(jī)械分析基礎(chǔ)的經(jīng)典材料力學(xué)、彈性力學(xué)、板殼理論解析法，雖然給出了關(guān)于外力、應(yīng)力應(yīng)變和位移間關(guān)系的微分方程，但只有在構(gòu)件形狀和受力狀況都很簡(jiǎn)單的狀況下，才能導(dǎo)出微分方程的解析解，對(duì)稍稍復(fù)雜一點(diǎn)的實(shí)際問題還是無能為力。近年來的有限元技術(shù)在解決實(shí)際結(jié)構(gòu)分析問題方面取得了劃時(shí)代的進(jìn)步，這種技術(shù)借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的飛速進(jìn)步得以迅速發(fā)展。國際上涌現(xiàn)出了大量通用大型有限元軟件，使有限元技術(shù)在幾乎所有行業(yè)中都得到了廣泛應(yīng)用。在國外水泥工業(yè)中，有限元技術(shù)在機(jī)械設(shè)備的分析研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化中早已大量應(yīng)用，而且已經(jīng)比較成熟。近年來，我們國內(nèi)，對(duì)水泥機(jī)械設(shè)備，如管磨機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、輥壓機(jī)等，也開始應(yīng)用有限元技術(shù)進(jìn)行設(shè)備的應(yīng)力應(yīng)變分析工作，取得了成效，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)展。有限元分析已經(jīng)被越來越多的人所接受，越來越多的人想通過應(yīng)用成熟的有限元軟件應(yīng)用有限元技術(shù)。而ANSYS是大量的有限元通用分析軟件中的先行者和佼佼者。本書旨在介紹我們應(yīng)用ANSYS進(jìn)行管磨機(jī)分析中的經(jīng)驗(yàn)、體會(huì)，幫助大家學(xué)習(xí)使用ANSYS，并且全面深入理解管磨機(jī)的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布特點(diǎn)，克服設(shè)計(jì)上的盲目性，對(duì)人們長(zhǎng)期為之困惑的爭(zhēng)論得出令人折服的結(jié)論，使在設(shè)備維護(hù)中，正確診斷，措施得當(dāng)。所以本書既是學(xué)習(xí)使用ANSYS進(jìn)行管磨機(jī)有限元計(jì)算分析的入門書，又是討論管磨機(jī)設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)的參考書。

內(nèi)容概要

本書對(duì)管磨機(jī)(滑履磨和中空軸磨)用ANSYS進(jìn)行有限元機(jī)械分析，按計(jì)算分析步驟，作了詳細(xì)介紹，手把手地將初學(xué)者帶入管磨機(jī)有限元分析的大門。此外，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)管磨機(jī)的應(yīng)力分布特點(diǎn)進(jìn)行了深入探討，特別是通過利用參數(shù)化設(shè)計(jì)語言ALDL對(duì)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)修改的“實(shí)驗(yàn)計(jì)算”，總結(jié)參數(shù)歸納出結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，這些規(guī)律結(jié)論將直接指導(dǎo)管磨機(jī)的設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)。    本書適用于機(jī)械工程專業(yè)本科生、研究生，以及從事設(shè)計(jì)、科研的工程技術(shù)人員。

書籍目錄

第1章  準(zhǔn)備知識(shí)  1.1  彈性力學(xué)中應(yīng)力、應(yīng)變的基本概念    1.1.1  應(yīng)力    1.1.2  位移及應(yīng)變，幾何方程和物理方程  1.2  有限元法與ANSYS    1.2.1  有限元法的發(fā)展和ANSYS簡(jiǎn)介    1.2.2  有限元的基本思想    1.2.3  ANSYS的兩種工作模式    1.2.4  用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的基本步驟第2章  滑履磨的計(jì)算和分析  2.1  計(jì)算磨結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，計(jì)算分析基本構(gòu)想和計(jì)算模型基本數(shù)據(jù)  2.2  基本參數(shù)輸入  2.3  單元類型、材料屬性、實(shí)常數(shù)的設(shè)定  2.4  幾何模型建立和網(wǎng)格劃分    2.4.1  磨體    2.4.2  滑履瓦    2.4.3  壓力桿Link10單元的生成  2.5  邊界條件  2.6  載荷    2.6.1  自重載荷和“當(dāng)量密度”    2.6.2  研磨體和物料載荷及其基本參數(shù)    2.6.3  研磨體和物料載荷的施加  2.7  求解  2.8  計(jì)算結(jié)果和分析結(jié)論    2.8.1  磨體跨間筒體區(qū)    2.8.2  支承區(qū)    2.8.3  滑履瓦  2.9  輪帶、簡(jiǎn)體一體化滑履磨結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的影響    2.9.1  4.2m×13m滑履磨計(jì)算模型磨基本數(shù)據(jù)和計(jì)算    2.9.2  結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)力的影響  2.10  輪帶和簡(jiǎn)體法蘭連接滑履磨的計(jì)算    2.10.1  計(jì)算輪帶法蘭連接滑履磨模型基本數(shù)據(jù)和計(jì)算處理    2.10.2  計(jì)算結(jié)果和分析    2.10.3  結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)力的影響  2.11  滑履磨人孑L處的應(yīng)力計(jì)算    2.11.1  基本數(shù)據(jù)和假設(shè)    2.11.2  幾何模型和網(wǎng)格劃分    2.11.3  加載    2.11.4  計(jì)算結(jié)果第3章  中空軸磨的計(jì)算和分析  3.1平端蓋中空軸磨    3.1.1  改造的計(jì)算平端蓋中空軸磨計(jì)算模型基本數(shù)據(jù)和計(jì)算    3.1.2  平端蓋中空軸磨計(jì)算結(jié)果和分析結(jié)論.平端蓋磨與滑履磨應(yīng)力分布特點(diǎn)比較    3.1.3  結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)力的影響  3.2  錐形端蓋中空軸磨    3.2.1  計(jì)算錐形端蓋磨計(jì)算模型基本數(shù)據(jù)    3.2.2  錐形端蓋磨計(jì)算模型的建立，載荷和邊界條件處理    3.2.3  計(jì)算結(jié)果和應(yīng)力分布特點(diǎn)    3.2.4  結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)力的影響參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：有限元法起源于20世紀(jì)50年代航空領(lǐng)域飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。它首先是在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域中應(yīng)用和發(fā)展起來的，但它還可以解決傳熱學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)和聲學(xué)等領(lǐng)域的問題。由于有限元法計(jì)算精度高、實(shí)用有效，所以它已經(jīng)成為各類工業(yè)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能評(píng)估的可靠依據(jù)，并且成為工程設(shè)計(jì)不可缺少的一種重要方法。特別是，科技人員又將有限元理論、數(shù)值計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算等技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出一批通用軟件，ANSYS是其中的先行者和佼佼者。ANSYS是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，由世界上最大的有限元分析軟件公司——美國ANSYS公司開發(fā)，具有與Pro／Engineer，NASTRAN，Alogor，I-DEARS，AutoCAD等多種cAD軟件相連的數(shù)據(jù)接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。ANSYS軟件可廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、輕工、造船、航空航天、汽車交通、電子、土木工程、水利等諸多工業(yè)領(lǐng)域及科學(xué)研究。它由前處理模塊、分析模塊和后處理模塊組成，具有強(qiáng)大的幾何建模、網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置和與CAD軟件無縫集成的強(qiáng)大前處理能力，強(qiáng)大加載求解能力和后處理能力。ANSYS不但功能強(qiáng)大，而且界面友好、操作靈活、易學(xué)易懂，所以獲得越來越廣泛的應(yīng)用1.2.2有限元的基本思想。有限元法（Finite Eleent Method，F(xiàn)EM）實(shí)質(zhì)上是把具有無限個(gè)自由度的連續(xù)系統(tǒng)，近似等效為只有有限個(gè)自由度的離散系統(tǒng)，使問題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的數(shù)學(xué)問題。從力學(xué)上講，有限元是先把連續(xù)體劃分為有限個(gè)形狀規(guī)則的小塊體，稱之為單元。兩相鄰單元之間通過若干點(diǎn)互相連接，這些連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。把作用于各單元上的外載荷，按虛功原理轉(zhuǎn)化為各單元的等效節(jié)點(diǎn)載荷向量，用劃分后的有限個(gè)小單元的集合體，代替原來的連續(xù)體。這一步稱結(jié)構(gòu)的離散化。然后，以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量進(jìn)行研究，這是工程上廣泛采用的位移法。它根據(jù)分塊逼近整體的構(gòu)思，選取一個(gè)簡(jiǎn)單多項(xiàng)式函數(shù)近似表達(dá)各位移分量的分布規(guī)律，并把單元內(nèi)任意點(diǎn)的位移分量寫成統(tǒng)一形式的位移插值函數(shù)式，實(shí)現(xiàn)通過節(jié)點(diǎn)位移向量，表達(dá)單元內(nèi)任一點(diǎn)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力、引入幾何方程、物理方程等。同時(shí)，還要保證單元在平衡、連續(xù)和物理性質(zhì)等制約條件下，利用變分或虛功原理建立單元節(jié)點(diǎn)力向量和節(jié)點(diǎn)位移向量間的特性關(guān)系。

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