改向滚筒疲劳寿命的有限元分析及优化设计

摘要

滚筒是带式运输机的主要部件之一，其中改向滚筒是本文的研究对象，其作用主要有：为输送带提供转向，利用自重拉紧输送带，增加输送带张力以保证运量。因此，改向滚筒的失效会使得企业停产维修，或引发安全事故，给企业带来很大损失。本文基于某炼铁厂高炉上料主皮带上的改向滚筒，针对其破坏的形式及原因进行了分析，并对改向滚筒的结构提出了结构的优化。
　　本文首先对炼铁高炉中带式输送机的各个工作参数进行计算，求得了施加在改向滚筒上的外载荷。基于改向滚筒的工作情况及简化模型，研究了改向滚筒的结构及其受力分析。对改向滚筒的各个部件，包括轴、筒皮、辐板、轮毂、胀套进行了受力分析及强度校核，结合计算结果和炼铁厂现场改向滚筒破坏状况，初步确定了滚筒破坏的原因。
　　通过有限元分析法对改向滚筒完成了结构分析，本文应用的软件为ANSYS。在有限元结构分析后，与前面许用应力法的校核相对比，确保有限元分析的精确性。在有限元分析的结果中，找到最大应力区域以及该应力区域内的某个节点在一个周期内的应力幅，通过该节点分析该改向滚筒的疲劳寿命，由于滚筒属于大型结构件，破坏区域的材料为铸钢（ZG230-450）。通过查阅手册和理论计算，得到ZG230-450的S-N曲线，根据相关理论知识修正得到对滚筒破坏结构的S-N曲线。基于上述的计算结果，基于疲劳计算方法中的名义应力法，用ANSYS通用后处理器进行疲劳寿命的分析与计算。
　　在计算了改向滚筒的疲劳寿命后，以APDL参数化设计语言为核心，在分析了滚筒的受力情况以及疲劳寿命，提出了优化滚筒高应力区域部件的假设，即滚筒的辐板。在建立了优化的滚筒模型之后，以优化部件的几何参数为设计变量，以ANSYS有限元的部分计算结果为状态变量（最大变形位移和辐板体积）和目标函数（辐板最大应力），求得了最优解。以最优解的结果反馈到ANSYS中再次进行有限元结构分析，验证了优化结果的准确性。本文为滚筒的设计工作提供了指导与参考。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 改向滚筒设计研究方法

1.3 结构件疲劳分析的发展现状与趋势

1.4 基于有限元的优化设计

1.5 本文主要研究内容

第2章 改向滚筒的受力分析及校核

2.1 输送带张力计算

2.2改向滚筒各部件的受力校核分析

2.3 本章小结

第3章 基于ANSYS的改向滚筒有限元分析

3.1 ANSYS软件及其疲劳分析介绍

3.2 改向滚筒有限元结构分析

3.3基于应力应变法的疲劳寿命分析

3.4改向滚筒疲劳寿命的有限元计算

3.5 本章小结

第4章 改向滚筒的APDL优化设计

4.1 APDL优化设计的概念

4.2 APDL优化设计的步骤

4.3 改向滚筒辐板分析及初步设计

4.4 辐板的尺寸优化

4.5 本章小结

第5章 全文总结与展望

5.1 本文总结

5.2 课题展望

致谢

参考文献

硕士期间发表的学术论文