基于有限元的碟式分离机应力分析与结构优化

摘要

随着全球能源与环保行业的迅猛发展以及国际形势日益复杂化，国防、冶金、食品、化工、核工以及药剂等行业高品位、高纯净的需求凸现和低碳经济全球化；分离机械工业越来越受到各国的重视，对于碟式分离机来说，其生产数量与应用规模已经远超其他类型连续离心机总和，正常工作过程中，机器的结构安全性和加工稳定性显得尤为重要；针对当前碟式分离机转速不断提高、结构系统日益复杂化，采用经典弹性力学理论不能满足设计需要等问题；本文以LX-460型胶乳碟式分离机为研究对象，以提高结构安全性、降低应力水平为目标，结合有限元分析与理论计算，对其主要结构应力特性进行研究，提高分离效率与整机性能、降低劳动强度、增大生产能力。
　　本文对碟式分离机结构进行研究的主要工作及所得研究结果如下：
　　（1）转鼓结构应力特性研究
　　研究转鼓工作转速空转状态与工作状态两种工况的结构应力特性，确定有限元分析约束条件，建立分析计算模型，比较转鼓两种工况下的应力分布规律；构造几何路径，研究转鼓螺纹牙、排料口等高应力区域的局部应力；改变工作转速，分析各工况结构应力与工作转速的变化规律；建立转鼓接触计算模型，进行有限元接触分析，研究接触分析过程中，不同刚度系数Knormal对接触模型计算速度与收敛曲线变化规律的影响，确定最优刚度。研究表明：结构整体应力水平分布不均，转鼓筒体沉渣区、转鼓侧壁、螺纹牙等位置局部应力水平很高，应采用结构优化等手段，考虑从降低结构应力集中、改善结构强度、结构轻量化等方面进行设计。
　　（2）螺旋齿轮应力特性研究
　　参数化构建螺旋齿轮实体模型，针对空间点接触类型的特殊性，建立啮合传动有限元计算模型，进行三维接触分析，比较不同齿对数啮合，接触应力变化情况；确定导热系数、对流换热系数、温度场约束条件，考虑螺旋齿轮啮合传动发热对胶合、齿面磨损、点蚀等失效形式的影响，将温度作为热载荷，进行热弹耦合分析，研究耦合场载荷分布规律。研究表明：不同齿对数接触，齿面接触应力分布规律基本相同，点接触条件下，耦合场应力水平较高，轮齿发热加剧了齿轮磨损速度，极大地影响了啮合效率，脉动循环交变应力引起齿轮、轴承的振动，导致转鼓不平衡，引起严重的后果。应优化结构参数，降低闭式齿轮箱发热及轮齿受载状态，提高传动效率。
　　（3）评估有限元计算结果及强度校核
　　采用无力矩、有力矩理论分析转鼓鼓壁以及边缘效应区的强度问题，理论分析螺旋齿轮的齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度，将理论计算结果与有限元分析结果进行对比，验证有限元建模分析计算方法的正确性，结合安定性原理及结构强度评定准则，进行强度评定，校核结构强度的安全性。研究表明：有限元法与现有理论方法得到的转鼓、螺旋齿轮应力分布规律基本接近，相对误差在20％以内，验证了有限元建模分析方法的正确性，通常情况下，理论方法进行应力计算与结构设计比较保守，通过结果比较，发现有限元法分析结构应力值比理论值稍大，这与现实相符，说明采用有限元法设计分离机结构更具先进性，有限元值进行强度校核，结构强度满足要求。
　　（4）结构多目标驱动优化设计
　　利用ANSYS Workbench环境中的多目标驱动优化技术（GDO），对碟式分离机转鼓锁环与螺旋齿轮进行多目标驱动优化设计分析，从安全性、经济性出发，结合优化目标函数敏感性分析与参数响应性分析，合理优化结构几何参数与性能参数，进行有限元分析与结构设计，比较优化前后结构目标函数的变化规律，确定最优结构参数。优化表明：优化后的结构应力分布相对比较均匀，应力集中减小，最大等效应力明显降低，材料消耗减少，结构综合性能得到一定的提高，对碟式分离机结构优化以及整机可靠性提高具有一定的价值。

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1绪论

1.1碟式分离机简要概述

1.2本文研究目的与意义

1.3国内外研究现状与发展动态分析

1.4本文主要研究内容

1.5本章小结

2转鼓应力特性研究

2.1引言

2.2转鼓结构载荷理论分析

2.3转鼓静力学有限元分析计算模型

2.4转鼓结构静力场有限元分析

2.5转鼓局部应力特性有限元分析

2.6转鼓三维有限元接触分析

2.7本章小结

3圆柱螺旋齿轮啮合传动应力特性研究

3.1引言

3.2圆柱螺旋齿轮啮合传动力学分析

3.3参数化三维圆柱螺旋齿轮实体几何模型

3.4圆柱螺旋齿轮啮合过程有限元接触分析

3.5圆柱螺旋齿轮热弹耦合有限元分析

3.6本章小结

4碟式分离机关键件有限元计算结果验证及强度评定

4.1引言

4.2转鼓结构强度理论计算

4.3转鼓结构有限元仿真分析结果验证与强度评定

4.4螺旋齿轮啮合传动强度理论计算

4.5螺旋齿轮啮合传动有限元仿真分析结果验证与强度评定

4.6本章小结

5基于有限元的碟式分离机结构多目标驱动优化

5.1引言

5.3多目标驱动优化参数设置

5.4结构参数设计点结果分析

5.5结构参数敏感性分析

5.6优化参数响应性分析

5.7多目标驱动优化分析候选设计点最优方案确定

5.8本章小结

6总结与展望

6.1本文工作总结

6.2本文不足之处与展望

参考文献

致谢

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