一種基于ANSYS Workbench 的環(huán)形灌裝缸有限元分析

黃文金 孫敬慧 周波

隨著灌裝行業(yè)的飛速發(fā)展，行業(yè)競爭越來越激烈，同時消費者對食品衛(wèi)生也越來越重視，對灌裝機械有了更高的要求，從而促使食品機械設(shè)備生產(chǎn)廠家在機械設(shè)備的改進和研發(fā)上投入更多的人力、財力和物力。

灌裝缸是一種用來存儲物料的容器，與氣液分配相連。物料通過分配器進入到灌裝閥內(nèi)進行灌裝，并定量進入瓶內(nèi)。傳統(tǒng)灌裝缸是截面為矩形的普通灌裝缸，如圖1 所示。這種灌裝缸成本高昂，制作復(fù)雜，工藝要求高，且清洗不易。由于食品行業(yè)的特殊性，產(chǎn)品的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求很高，對灌裝缸的清洗較為頻繁，清洗時費時費力，對生產(chǎn)有較大的影響?，F(xiàn)設(shè)計了一種環(huán)形缸，如圖2 所示，這種灌裝缸截面為圓形，用料節(jié)省，工藝簡單，方便清洗，質(zhì)量小，成本較普通缸大幅下降。

圖一 傳統(tǒng)普通灌裝缸

圖二 新型環(huán)形缸

1.環(huán)形缸的結(jié)構(gòu)

如圖三所示，環(huán)缸（1）固定到安裝盤（4）上。環(huán)缸均布焊接8 個連接塊（2），立柱（3）一端與連接塊相連，一端與安裝盤相連。

圖三 環(huán)缸的主要結(jié)構(gòu)圖

2、環(huán)形灌裝缸的強度分析

用三維軟件Solidedge 繪制三維模型，去除灌裝缸上的小特征，簡化結(jié)構(gòu)后，導(dǎo)入ANSYS Workbench 中。灌裝缸部件的各結(jié)構(gòu)材料為304 不銹鋼，密度為7.93 g/cm3，304 的彈性模量為194GPa，泊松比為0.3，屈服強度為205MPa。

設(shè)定網(wǎng)格尺寸，劃分自由網(wǎng)格共650149 個，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.783，如圖四所示。

圖四 劃分網(wǎng)格

支撐盤安裝在缸支架上，現(xiàn)用固定約束；環(huán)缸內(nèi)裝滿液體，施加0.6MPa 的水壓，整個裝置在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下工作，施加一個標(biāo)準(zhǔn)地球重力，如圖五所示。

圖五 載荷和約束

分析后從應(yīng)力云圖和位移云圖可以看到，最大應(yīng)力為49.196MPa＜205MPa，最大位移為0.165mm，最大應(yīng)力和最大位移在灌裝缸開孔較多的一側(cè)，如圖六所示。該結(jié)構(gòu)強度足夠，設(shè)計合理。

圖六 位移云圖

圖七 應(yīng)力云圖

3、環(huán)形灌裝缸的模態(tài)分析

動力學(xué)的通用運動方程為：

其中：M 為質(zhì)量矩陣，C 為阻尼矩陣，K 為剛度矩陣，F(xiàn) 為外載荷，為加速度向量，為速度向量為位移向量。

式5-7 可以表達多種分析類型，對模態(tài)分析而言，因模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，與外部的激勵無關(guān)，即，其方程可以寫為：

由式5-9 可求得廣義的特征值和特征向量，也就是動力系統(tǒng)的振型和固有頻率。令，有：

在workbench Mechnical 模塊中求解上述方程時，是在一定的假設(shè)條件下求解的，即K 和M 是常量，同時滿足以下條件：

A、假設(shè)材料是線彈性材料。

B、使用小撓度理論，不包含非線性特征。

C、不包含阻尼。

D、假設(shè)結(jié)構(gòu)沒有激勵。

模態(tài)分析按是否對物體進行約束分為約束模態(tài)和自由模態(tài)分析兩種情況。這兩種模態(tài)分都無需施加載荷，其中前者需要約束邊界條件，后者不需要約束。本文采用約束模態(tài)分析，分析的步驟和流程與靜力學(xué)分析大致相同。

建立模型，設(shè)置好材料屬性、劃分網(wǎng)格后，設(shè)置分析項，設(shè)定模態(tài)數(shù)是6，頻率0HZ--108Hz。

默認坐標(biāo)系為約束坐標(biāo)系，灌裝缸的回轉(zhuǎn)中心設(shè)置為與坐標(biāo)原點重合。約束立柱沿X、Y、Z 軸方向的移動自由度，以及XZ、YZ 方向的轉(zhuǎn)動自由度。

經(jīng)分析后，得灌裝缸前6 階的模態(tài)分析結(jié)果圖，如圖八所示。

圖八 模態(tài)分析結(jié)果圖

從圖八的分析結(jié)果可以看出，一階模態(tài)變形繞著z 軸反復(fù)旋轉(zhuǎn)；二階模態(tài)在X0Z 平面內(nèi)搖擺，；三階模態(tài)在ZOY 平面內(nèi)搖擺；四階和五階是在XOY 平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)；六階模態(tài)是四階和五階的疊加，XOY 平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)。

圖中的六階模態(tài)的固有頻率在表1 中列出。

表1 1-6 階固有頻率

上文中已確定灌裝機的轉(zhuǎn)速為5r/min，轉(zhuǎn)頻率為0.0833HZ，和其固有頻率相差相差較大，灌裝缸不會發(fā)生共振，滿足設(shè)計要求。

4、結(jié)論

通過solidedge 建立模型，將其導(dǎo)入ANSYS Workbench中，計算得到新型環(huán)狀缸的最大應(yīng)力，環(huán)狀缸結(jié)構(gòu)在水壓0.6MPa 時，最大應(yīng)力為49.196MPa 遠小于304 不銹鋼的屈服極限。模態(tài)分析計算的結(jié)果得到，在灌裝機正常工作時的轉(zhuǎn)速遠小于灌裝缸結(jié)構(gòu)的固有頻率，所以灌裝缸不會發(fā)生共振，設(shè)計合格。