大型碟片式离心机转鼓的有限元分析

1 引言
    碟片喷嘴离心机（也称碟式离心机）是玉米湿磨生产淀粉的重要设备，主要用于淀粉与麸质的分离、麸质水的浓缩等，是玉米湿磨生产淀粉设备的核心。另外在化工、医药，轻工及生物工程中也有较广泛应用。碟式离心机转鼓直径达到1000mm 的我们称之为大型上悬式碟片离心机，我公司经过一年的自主研发成为继国外两家后第三家可以生产此类离心机的厂家。在打破国外垄断同时，我公司积极推出了为国内的大型上悬式碟片离心机进行维护保养及维修的服务。
    吉林黄龙淀粉公司几年前从国外进口了一台大型上悬式碟片离心机，后来在使用过程中转鼓的一个喷嘴发生了破坏，严重影响生产，后来该公司主动与我公司联系，寻求帮助。我公司利用长期以来的经验，迅速制定了维修方案，并利用有限元计算软件ANSYS 对维修方案进行分析，方案可行。维修后一年内运行正常。实际证明计算有效，方案制定正确。
2 离心机转鼓的有限元分析
    因为转鼓是旋转件，喷嘴处通过封焊堵死，会影响使用效果和产量，而且因为是焊接，强度是否符合强度要求还未知，所以优先考虑通过扩孔来进行修复，但是"开孔越大开孔系数越大,应力集中系数越大"，孔内采用更连续的螺纹，来适当降低应力的集中，但是一方面因扩孔而加大的应力一方面因结构连续而减少的应力，如何确定最终的修复结果是降低还是加大。我们采用有限元计算来进行分析。
2.1 转鼓喷嘴的应力分析
    转鼓的三维模型见图1：

图1 离心机转鼓三维模型

2.1.1 转鼓受力分析
    转鼓为不锈钢铸件后经精加工而成，转鼓上面叠加了几十层的碟片并紧固和电机轴一起被电机带动高速旋转，故在底部加约束，然后在整个转鼓上面施加速度载荷。
2.1.2 分析思路
    分析主要是通过有限元的计算来看孔的边缘应力。来判断扩孔前后应力变化的趋势。
2.1.3 模型简化
    因为主要是考虑维修方案前后的对比，所以不需要对转鼓上面的碟片和物料所施加的载荷进行模拟，另外因为转鼓是旋转体并且有30 个均布的载荷，所以取其中维修的一块进行分析计算。
2.1.4 分析类型确定
    应用CAE 软件ANSYS 进行结构有限元分析，根据受力特点，本问题的分析类型选择结构线性静力分析，应用ANSYS 强大的结构分析功能，可以较准确的计算出来应力分布及应力大小，可以对维修方案提供可靠的指导。
2.2 有限元分析
2.2.1 建模
    对于建立复杂有限元结构线性静力分析模型，因为ANSYS 自身所带的建模不是很强大，我们通常采用第三方软件，建完模完，导入ANSYS ，我们使用SOLIDEDGE 建立三维实体模型并进行30 等份切割并取一份，另存为IGS 格式，ANSYS 读入实体模型建立如图2 所示。

图2 离心机转鼓等分三维模型

2.2.2 单元定义
    ANSYS10.0 库内有175 个单元，为了尽可能获取较全面计算结果及保证计算结果的可靠性，我们考虑采用SOLID 95 选项。
2.2.3 材料属性
    ANSYS 材料属性是必输项，离心机转鼓是不锈钢铸造件然后进行精加工，所以这里我们输入不锈钢的弹性模量EX 及泊松比PRXY 或从材料数据库内导入对应材料。我们的输入是EX＝0.93E11，PRXY＝0.31 。

2.2.4 网格划分
    网格划分很重要，一方面会影响计算的准确性，更重要的是合理的网格划分才能更真实有效的模拟实际的工况，我们整体采用的自由网格划分，见图3。

图3 离心机转鼓自由划分网格

    另两种映射网格划分和体扫掠不适当这个实例，对于所关心的喷嘴部分，采用局部细化网格，见图4 。

图4 离心机转鼓喷嘴局部细化

2.2.5 边界条件
    离心机转鼓的转动是电机轴连接转鼓底部进行高速旋转，所以我们对底部进行约束，FX，FY，FZ 三个方向上的自由度均为0
2.2.6 施加载荷及求解
    离心机的转速为3000 转/分，选取整个实体并以转鼓中心为中心施加圆周速度3000 转/分，并定义重力方向及选取默认重力值。因为我们采用的是对比分析，即分析扩孔前后的应力值。而不是单一的看结构是否满足工况，转鼓上面的碟片及内部物料所产生的压力在这两个分析中我们均不加载，选择直接求解器。大变形关闭，进行求解。对解对比结果如图5（扩孔前计算值）和图6（扩孔后计算值）。
2.2.7 分析结果
   

图5 离心机转鼓喷嘴扩孔前

图6 离心机转鼓喷嘴扩孔后

    从分析的对比可看出局部的连续性对应力减少的作用稍大一些，从扩孔前的203Mpa 减小到扩孔后的196Mpa，扩孔后孔边缘应力发生了减少，这样证明扩孔方案可行。
2.3 方案实施与反馈
    按此计算分析的结果指导，我公司将转鼓运回后，在数控加工中心上对其进行维修，并特别注意扩孔尺寸，扩孔尺寸严格按照计算时确定的数值进行。维修完成后，将转鼓安装回离心机上试转正常后运行厂家进行工作，维修至今一年多没有出现任何问题。证明计算准确有效。
3 结论
    本文基于ANSYS的实际应用而做，相应的做了一些模型简化，但是以不影响结果的有效性为前提。通过上述实际，我们可以得到如下结论：1、扩孔后孔周围的的应力是否变大与边缘的连续性有关，不能简单的认为扩孔就会全部增大应力，孔周边的连续性会影响应力的的产生。2、局部开孔变大时，如果局部的连续性更好，会适当的减少应力，但出现如何的趋势需要量化计算。3、ANSYS的计算结果表明，较大的应力集中分布于孔边缘，最大应力出现在连接处。4、对于开孔处进行适当的连续过渡设计会有效的降低应力的集中，减少破坏的可能性。

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