开炼机辊筒的有限元分析及其优化设计

摘要

随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，橡塑产品在日常生活中的使用率越来越高。特别是汽车工业的快速发展促进了轮胎产业壮大，为橡塑机械的快速发展创造了契机。辊筒作为开炼机的主要工作元件以及承载力最大的元件，它的安全可靠的运转对整个炼胶过程有着重要的作用。基于开炼机在化工企业中应用的广泛、数量的庞大，针对开炼机辊筒的有限元分析及其优化设计，达到降低质量，节约辊筒材料和电能消耗的目的，将为企业带来可观的经济效益，符合国家节能减排的发展政策。
　　 本课题以一个典型的φ550×1600型开炼机辊筒为研究对象，在数值模拟仿真软件ANSYS平台上对辊筒进行有限元分析。首先对辊筒进行了温度场分析，通过稳态温度场分析可以得知辊筒的温度及其热应力分布情况，其热应力分布沿着辊筒径向由大变小再变大，并且辊筒内部受拉应力影响，而外壁受到压应力的影响。通过瞬态温度分析可以得知辊筒温度变化情况以及其热应力移动趋势，经分析可得辊筒的热应力首先集中在轴头处，随着时间推移逐渐移动到辊筒内壁上，到达稳定状态时与稳态分布相似。
　　 其次，为准确的分析辊筒的受力情况，需要对辊筒进行热-结构耦合分析，分析在机械应力与热应力同时作用下辊筒的应力和应变。通过耦合分析可以得到辊筒工作区间上的最大应力值为15.8MPa，最大应变为0.139E-03m，将最大应力与应变与辊简材料的许用应力和许用挠度比较可以得知辊筒还有很多的优化空间，且定义两者为优化设计的状态变量。
　　 再次，在耦合分析的基础上建立以辊筒内径为设计变量，辊筒体积为目标函数，应力和挠度为约束条件的优化分析数学模型，通过ANSYS的参数化语言实现辊筒的优化设计，求得一组优化最优解，优化后的辊筒能够节约铸铁材料0.09862m3，使体积减少28.87％，重量减轻725kg，优化效果显著。利用ANSYS中的可靠性分析模块，对优化模型进行了可靠性验证，分析指出当抽样次数为200，置信度为95％时，挠度和应力的失效率分别为0.79％和17.27％，当抽样次数增加，可靠度会相应提高。
　　 总之，针对开炼机辊筒的有限元分析及优化设计，是将先进的设计和分析方法应用于辊筒的实际设计中，为设计经济、可靠、稳定的开炼机提供了一种新思路，同时也为同类产品的设计提供了依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 前言

1．2 开炼机国内外发展现状

1．2．1 国外开炼机的发展水平和趋势

1．2．2 国内开炼机的发展水平和趋势

1．3 国内开炼机技术水平分析

1．4 国内开炼机辊筒的研究现状

1．5 课题研究意义和目的

1．6 课题研究主要内容

1．7 有限元方法及APDL参数化语言介绍

1．7．1 有限元理论

1．7．2 ANSYS软件的APDL语言介绍

2 开炼机主要特征参数及辊筒

2．1 开炼机主要特征参数

2．1．1 开炼机工作原理

2．1．2 横压力

2．2 辊筒

2．2．1 辊筒的材料要求

2．2．2 辊筒结构

2．3 本章小结

3 辊简温度场有限元分析

3．1 辊筒模型

3．2 辊简热分析概述

3．3 辊筒稳态温度分析有限元法理论前提

3．4 辊筒有限元模型的建立

3．5 辊筒稳态温度场分析

3．5．1 进入后处理，查看温度分布

3．5．2 辊筒稳态热应力求解

3．5．3 辊筒稳态热应力校核

3．6 辊筒瞬态温度场分析

3．6．1 瞬态温度场的有限元计算理论前提

3．6．2 辊筒瞬态温度场分析的ANSYS实现

3．7 本章小结

4 辊筒热-结构耦合场有限元分析

4．1 多物理场耦合分析概述

4．2 多物理场耦合分析方法

4．3 热-结构耦合应力场的有限元求解

4．3．1 关于辊筒应力场求解的几点假设

4．3．2 辊筒耦合场应力应变求解

4．4 本章小结

5 辊筒参数化语言优化设计及其可靠性分析

5．1 最优化设计方法概况

5．2 基于ANSYS的辊筒优化分析

5．2．1 辊筒优化分析ANSYS实现流程

5．2．2 辊筒优化分析结果

5．3 辊筒优化计算结果的验证

5．4 优化后辊筒的可靠性分析

5．4．1 可靠性分析相关概念

5．4．2 辊简体ANSYS可靠性分析结论

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望及后续研究建议

参考文献

附录A：温度场分析的APDL语言

附录B：目标优化分析的APDL语言

附录C：可靠性分析的APDL语言

附录D：攻读学位期间的主要学术成果

致谢