應(yīng)用ANSYS優(yōu)化設(shè)計傳動滾筒

汪祝芬，吳　磊

(安慶師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院， 安徽 安慶 246133)

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應(yīng)用ANSYS優(yōu)化設(shè)計傳動滾筒

汪祝芬，吳磊

(安慶師范學(xué)院 物理與電氣工程學(xué)院， 安徽 安慶 246133)

摘要：將優(yōu)化設(shè)計理論引入到CAD，CAE，VD技術(shù)中，既能夠在產(chǎn)品的設(shè)計過程中不斷選擇設(shè)計參數(shù)并評選出最優(yōu)方案，又可以加快設(shè)計速度,縮短設(shè)計周期。本文利用基于有限元法的ANSYS優(yōu)化設(shè)計功能，選擇傳動滾筒的壁厚為設(shè)計變量，對傳動滾筒的壁厚進行優(yōu)化設(shè)計，使產(chǎn)品既滿足使用要求，又能達到結(jié)構(gòu)輕量化、設(shè)計效率提高的效果。

關(guān)鍵詞：傳動滾筒；參數(shù)化；優(yōu)化設(shè)計；有限元法

帶式輸送機是現(xiàn)代最重要的散料輸送設(shè)備之一，被廣泛應(yīng)用于煤炭、化工、電力、港口等行業(yè)。傳動滾筒是帶式輸送機的主要受力和易損部件,承受載荷復(fù)雜，其設(shè)計一直是一個難點，特別是許多新型滾筒目前尚未形成通用的設(shè)計系列，一般只認為，只要滾筒體厚度大于或等于輻板厚度即可。目前，對于重型滾筒主要憑經(jīng)驗公式、增大安全系數(shù)的方法進行設(shè)計，結(jié)果使得滾筒質(zhì)量偏大，但可靠性卻沒有明顯提高，更無法直接確定滾筒的危險點及其應(yīng)力狀態(tài)[1-5]。本文運用參數(shù)化編程、有限元理論、優(yōu)化設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法，對傳動滾筒的受力情況進行分析，優(yōu)化壁厚，為滾筒的合理設(shè)計提供依據(jù)。

1參數(shù)化建模

在帶式輸送機設(shè)計手冊中，傳動滾筒直徑超過1 400 mm的尚未形成標準系列，設(shè)計時沒有參考，需進行驗證。現(xiàn)對某大型傳動滾筒進行優(yōu)化設(shè)計，該筒殼長2 000 mm，筒殼厚50 mm，滾筒直徑2 000 mm，輪轂間距l(xiāng) 700 mm，筒殼外徑軸承間距2 400 mm，輪轂外徑700 mm，輻板厚45 mm，輸送帶松邊張力763.3 kN，緊邊張力l 325.7 kN，松邊張力方向線與重力方向線之間夾角120°，旋轉(zhuǎn)角速度3.15 rad/s，包角210°，選擇滾筒材料為Q235A，許用應(yīng)力[α]=235Mpa。

為了便于后面進行優(yōu)化設(shè)計選擇變量，本文采用自底向上的建模方式，以滾筒厚度、滾筒直徑、輪轂尺寸、輻板尺寸等為參數(shù)，建立帶式輸送機傳動滾筒的參數(shù)化模型。建模過程先建立相應(yīng)結(jié)構(gòu)處關(guān)鍵點，自點生成線，由線生成面，再到體，建立傳動滾筒模型，再利用ANSYS中的MESHTOOL對建立好的滾筒模型進行網(wǎng)格劃分[6]，滾筒模型和網(wǎng)格劃分結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

2滾筒載荷的加載

傳動滾筒的載荷來源主要為(1)輸送帶對驅(qū)動滾筒的摩擦力；(2)輸送帶對滾筒表面的正壓力[7]，其中，輸送帶對驅(qū)動滾筒的摩擦力為

(1)

滾筒表面正壓力為

(2)

式中，μ—輸送帶與傳動滾筒表面的摩擦系數(shù)，R—滾筒半徑，B—輸送帶寬度，Sl—分離端張力，θ—圍包角。

已知公式(1)和公式(2)為非線性連續(xù)張力，而ANSYS中不能直接加載這樣的力，因此利用APDL語言編寫函數(shù)載荷公式進行加載滾筒載荷加載[8]，加載編程部分語句如下，

*DEL,_FNCNAME‘定義公式參數(shù)

*DEL,_FNCMTID

*DEL,_FNC_C1

……

*SET,_FNCNAME,′XX′ ‘定義加載函數(shù)名

*DIM,_FNC_C1,1

……

*SET,_FNC_C1(1),S

……

SFA,P51X,1,PRES, %XX%‘加載

3滾筒約束的確定

在有限元分析中，滾筒約束的確定就是設(shè)置滾筒有限元模型的邊界條件，即限制邊界節(jié)點的自由度。節(jié)點的自由度取決于所選的單元類型，每個節(jié)點最多只有沿x，y，z三個方向的平動自由度和沿x，y，z三個軸方向的轉(zhuǎn)動自由度。滾筒的邊界條件的確定，只需要模擬滾筒軸承對滾筒的約束就可以了。在傳動滾筒軸中，大多使用的是球面調(diào)心滾子軸承，滾筒軸在垂直軸方向能實現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)動，因此要求在柱坐標系下模擬軸承約束，然后限制軸承節(jié)點的x，y方向的平動和轉(zhuǎn)動，z方向的平動。

4靜力分析

利用ANSYS強大的后處理功能，采用默認的直接解法，在不考慮滾筒的實際運轉(zhuǎn)狀態(tài)下對傳動滾筒進行靜力分析。由應(yīng)變云圖(圖3)和應(yīng)力云圖(圖4)可知，傳動滾筒中心處的位移最大，滾筒筒殼表面中部的應(yīng)力也比較大，即傳動滾筒在應(yīng)力最大的地方變形也最大，與實際情況是相符合的[9]，說明ANSYS為了模擬滾筒的實際工作情況，施加的載荷和約束是可行的，為后面優(yōu)化設(shè)計的正確性奠定了基礎(chǔ)。

5滾筒的優(yōu)化設(shè)計

應(yīng)用ANSYS，采用控制變量法，選擇滾筒壁厚為控制變量，在保證滾筒正常工作的前提下，對滾筒結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。根據(jù)目前通用的方法，滾筒的正常工作條件為(1)傳動滾筒應(yīng)保證最大位移不大于2倍直徑與2 800的比值，本文上述滾筒的最大許用位移[s]=2×2 000/2 800mm=1.43mm，(2)受力最大位移小于許用應(yīng)力[σ]=235Mpa。初選滾筒壁厚50mm，逐次改變壁厚進行分析，5次分析結(jié)果如表1所示。

表1　分析結(jié)果

比較5組數(shù)據(jù)可知，滾筒最大位移、最大應(yīng)力的值很難同時達到最小。因此，為保證滾筒的靜態(tài)特性，以滾筒最大位移為優(yōu)先目標變量，選定第4組為最優(yōu)序列，優(yōu)化前后結(jié)果對比如表2所示。

表2　優(yōu)化前后目標變量結(jié)果對比

從表2可以看出，優(yōu)化后的體積減少了9.3%，優(yōu)化效果明顯。

6結(jié)論

通過應(yīng)用ANSYS對滾筒進行參數(shù)化建模、分析，基本掌握了滾筒的受力情況，然后通過控制變量法，選擇滾筒壁厚為控制變量，進行壁厚的優(yōu)化設(shè)計，在滿足滾筒使用要求的前提下，減小了滾筒的體積，在一定程度上節(jié)約了制造成本，基本達到了預(yù)期的效果。更重要的是，可為該系統(tǒng)或類似系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提供一種新的高效可行的方法。

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Optimal Design of the Driving Drum Based on ANSYS

WANG Zhu-fen, WU Lei

(Physics and Electrical Engineering Institute，Anqing Teachers College，Anqing 246133，China)

Abstract:To introduce the optimal design theory into the CAD, CAE, VD technology which were developed in recent years, it can not only select the optimal solution through constantly choosing the design parameters, but also improve the design speed and shorten the design cycle. In this paper, we apply ANSYS optimal design features based on FEM, optimize the drum thickness to be the variables, and make the products meet the requirements, while lightering the structure and improving the design efficiency.

Key words:driving drum, parameterization, optimized design, FEM

中圖分類號：TH222

文獻標識碼：A

文章編號：1007-4260(2015)01-0040-03

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.01.011

作者簡介：汪祝芬，女，安徽潛山人，碩士，安慶師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院教師，主要從事礦山運輸機械的研究。

基金項目：安慶師范學(xué)院校青年基金(KJ201313)。

收稿日期：2014-04-03