基于ANSYS的空分軸系及其零部件有限元模型研究

韓彥龍，孫晨曦，王二利

(承德石油高等?？茖W(xué)校機械工程系，河北 承德 067000)

ANSYS作為大型通用有限元分析軟件，已在工程中被廣泛運用［1］。但其建模功能不夠強大，對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的模型，建模過程十分繁瑣［2］，空分軸系在ANSYS中建模需要耗費大量時間與精力［3-5］。本文運用Pro/E強大的參數(shù)化設(shè)計功能進行實體建模并裝配，建立Pro/E與ANSYS的無裂縫圖形接口聯(lián)接，提高軸系建模效率的同時，保障了軸系有限元模型的精確性。

1 Pro/E建立軸系三維模型

本文以機型為DMCL1204+2MCL1203+齒式增壓機的大型空分機組軸系為研究對象，其中機組低壓缸、中壓缸、汽輪機、齒式增壓機由三個膜片聯(lián)軸器依次聯(lián)接，結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

運用Pro/E分別建立軸系各軸段三維模型。其中，汽輪機軸為軸對稱結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。在軟件CAXA中建立其二維圖形，運用CAXA軟件裁剪等功能，將汽輪機軸沿著中心線裁剪，建立汽輪機軸一半、封閉、無重復(fù)線段的二維圖，并保存成*.dwg格式的共享文件，如圖2所示。

共享文件在Pro/E中可以直接導(dǎo)入，作為三維建模旋轉(zhuǎn)命令時的草繪文件?？梢酝ㄟ^修改共享文件實現(xiàn)對模型的修正，避免了模型修正時重復(fù)草繪的大量瑣碎工作，汽輪機軸Pro/E模型如圖3所示。

運用這種方法，將各軸段及聯(lián)軸器模型在Pro/E中裝配，建立軸系三維模型如圖4所示。

2 Pro/E模型導(dǎo)入ANSYS

通常可以通過3種方法實現(xiàn)Pro/E模型導(dǎo)入ANSYS:將Pro/E模型保存成.IGES格式文件后導(dǎo)入ANSYS;將Pro/E模型保存成.ANS格式文件后導(dǎo)入ANSYS;建立Pro/E與ANSYS的無裂縫圖形接口聯(lián)接，通過這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)兩種軟件的無裂縫聯(lián)接，模型不會有損失。本文采用這種方法將Pro/E裝配模型導(dǎo)入ANSYS軟件，其基本操作過程如下:

1)選擇CAD Configuration Manager，然后再在對話框中選擇CAD Selection選項，選中Workbench and ANSYS Geometry Interfaces和 Pro/E，單擊 Next;

2)在Pro/E選項卡輸入Pro/E的啟動目錄和安裝目錄，單擊Next;

3)在CAD Configuration選項卡中單擊Disply Congiguration Log File，單擊Configure Selected CAD Interface完成。

運用這種方法時需要滿足，電腦同一系統(tǒng)下同時安裝有Pro/E和ANSYS兩個軟件，并且Pro/E的版本不得高于同期的ANSYS版本。本文實現(xiàn)了Pro/E5.0與ANSYS12.1的聯(lián)接。聯(lián)接成功以后會在Pro/E菜單中多出一項“ANSYS12.1”，如圖5所示。

完成Pro/E模型建立后直接單擊“ANSYS12.1”菜單下的“ANSYS Geom”命令，可以將模型直接導(dǎo)入ANSYS中，導(dǎo)入ANSYS后的軸系模型如圖6所示。

Pro/E建立的裝配模型導(dǎo)入ANSYS時需要注意以下問題:

1)用鏡像命令建立的Pro/E模型導(dǎo)入ANSYS時模型會發(fā)生損失，故Pro/E建模必須避免用鏡像命令;

2)Pro/E和ANSYS單位須統(tǒng)一，本文兩軟件中均采用國際單位制m-kg-s;

3)ANSYS會將裝配模型中各零件視為獨立的模型，裝配模型導(dǎo)入ANSYS后須進行Boolean運算，本文所研究的裝配模型導(dǎo)入ANSYS后需進行g(shù)lue運算。

3 模型網(wǎng)格劃分

空分軸系主軸材料為50Mn合金鋼，軸系總長23 m，總重約53.95 t，彈性模量設(shè)置為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7 900 kg/m3。選用solid273單元對模型1/4正截面進行網(wǎng)格劃分。solid273可以發(fā)生3D變形，通過設(shè)置對稱截面，建立對稱節(jié)點來顯示整體變形效果。這樣可以減少有限元模型網(wǎng)格數(shù)目，從而減少有限元分析的運算量和計時，軸系模型1/4截面網(wǎng)格效果如圖7所示。

4 有限元模型中零部件的處理

1)葉輪

軸系上裝配有8個葉輪，建立有限元模型時，用集中質(zhì)量單元mass21模擬葉輪，并將各質(zhì)量單元與其相應(yīng)的軸系位置節(jié)點進行全自由度的耦合。

2)滑動軸承

軸系采用8個滑動軸承支撐，每1個軸承用1個彈簧單元COMBIN214進行模擬，彈簧單元的各參數(shù)對照軸承參數(shù)進行設(shè)置。3)聯(lián)軸器在聯(lián)軸器與軸配合的地方，簡化為一實心軸，如圖8所示，其中黑點表示節(jié)點，1—2和5—6節(jié)點間為軸與聯(lián)軸器配合部分，2—3和4—5節(jié)點間分別為左右法蘭，3—4節(jié)點間為聯(lián)軸器中間的空心軸［6］。

最終建立軸系含零部件有限元模型，如圖9所示。

5 結(jié)論

1)Pro/E建立三維模型時可以導(dǎo)入.dwg格式的共享文件作為草繪文件，從而提高建模效率，避免模型修改時重復(fù)建模的繁瑣過程;2)建立Pro/E與ANSYS軟件的圖形無裂縫聯(lián)接，將Pro/E模型導(dǎo)入ANSYS，保障了有限元模型的精確建立，能夠有效彌補ANSYS建模功能的不足;3)建立有限元模型時，可用solid273單元可對軸對稱模型1/4正截面進行網(wǎng)格劃分，通過設(shè)置對稱截面，建立對稱節(jié)點來顯示整體變形效果;葉輪可用質(zhì)量單元mass21模擬;滑動軸承可用彈簧單元COMBIN214進行模擬;膜片聯(lián)軸器可簡化為一段多節(jié)點空心軸。

［1］丁毓峰等.ANSYS12有限元分析完全手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［2］徐素影.ANSYS與Pro/E接口技術(shù)研究［J］.一重技術(shù)，2007，(4):99－101.

［3］王鳳麗，宋繼良，譚光宇，等.在ANSYS中建立復(fù)雜有限元模型［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報，2003，8(3):22－24，28.

［4］李波.ANSYS 結(jié)構(gòu)建模技巧［J］.山西建筑，2007，33(5):76.

［5］劉德仿，李麗英，周臨震，等.基于ANSYS的建模及分析方法研究［J］.制造業(yè)自動化，2011，33(19):140－142，149.

［6］馬輝，戴繼雙，孟磊，等.大型離心壓縮機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)分析［J］.中國工程機械學(xué)報，2010，8(2):127－131.