基于有限元的锁环静态分析与结构优化_李盼

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1、研究与分析2013年第2期(第26卷，总第124期)·机械研究与应用·*基于有限元的锁环静态分析与结构优化李盼，薛晓宁(广东海洋大学工程学院，广东湛江524088)摘要:以碟式分离机为研究对象，针对转鼓锁环的结构特点与受力特性，建立转鼓锁环的实体模型与有限元模型，通过有限元仿真软件对锁环结构在静载作用下进行应力分析，依据分析结果，对锁环几何结构进行了多目标优化设计，既满足强度要求，又减轻了锁环质量。关键词:碟式分离机;转鼓;锁环;优化设计中图分类号:TH112文献标志码:A文章编号:1007－4414(2013)02－0006－04StaticAnalysisan

2、dStructureOptimizationofLockRingBasedonFiniteElementLIPan，XUEXiao－ning(CollegeofEngineering，GuangdongOceanUniversity，ZhanjiangGuangdong524088，China)Abstract:Takingdiscseparatorasresearchobject，aimingatthecharacteristicandmechanicalperformanceoflockringofdrum，ageometricmodelandfiniteel

3、ementmodeloflockringareestablished．Finiteelementsimulationsoftwareisusedtocarryoutstressanalysisoflockringunderstaticload．Basedontheresultsoftheanalysis，multi－objectiveoptimizationofthelockringgeometryisdesigned，whichcanmeetthedemandsonstrengthandreducethequalityofthelockring．Keywords

4、:discseparator;drum;lockring;optimaldesign1前言2锁环结构静态应力有限元分析碟式分离机工作时转鼓高速旋转，利用离心力实2．1确定锁环结构几何参数现物料的连续高效分离，如图1所示乳胶分离机转鼓碟式分离机转鼓主要由转鼓底、碟片组、碟片压由100多个零件组成，整个转鼓依靠锁环螺纹将转鼓盖、转鼓盖、喇叭管、锁环等零部件组成。本文将利用［4］底、转鼓顶等连接成一体，在影响转鼓及整机安全性有限元对锁环进行结构应力分析与参数优化，锁的3个零部件转鼓底、转鼓盖和锁环中，锁环最为薄环结构如图2所示，相关几何参数如下:d1=33．5［1］弱，

5、发生安全事故后造成的危害性最大，在高速状mm，d4=15．5mm，d5=57．5，d6=14mm，d7=94．5态下其受载状态十分复杂，对其受载状态进行研究十mm，d8=221mm;螺纹为矩形单线螺纹。分必要，尚未见到国外锁环强度分析方面的研究的报道，经典弹性力学理论不能有效解决复杂结构应力分析，本文利用有限元法对锁环结构进行有限元分析。图2锁环结构二维图2．2建立三维实体模型锁环为轴对称模型，利用CAD建模软件建立锁环实体模型，为减少计算时间，提高分析效率，取结构图1碟式分离机转鼓剖视图1/4分析，其实体模型如图3(a)所示。1．转鼓底2．碟片组3．锁环4．密封

6、圈5．转鼓盖6．碟片压盖7．螺塞8．进料管9．端螺2．3建立有限元模型母10．圆柱销11．螺钉定义材料属性:锁环材料为35CrMo，其弹性模量(杨氏模量)为E=2．06GPa，泊松比为μ=0．3，密*收稿日期:2013－03－15作者简介:李盼(1987－)，男，湖南张家界人，硕士，研究方向:产品数字化设计与制造技术。通讯作者:薛晓宁(1962－)，男，副教授，研究方向:高速旋转机械设计。·6··机械研究与应用·2013年第2期(第26卷，总第124期)研究与分析3度为ρ=7900kg/m，屈服强度为σs=835MPa，抗拉分析图4可知:在锁环退刀槽、螺纹牙根位置

7、有强度为σb=985MPa。较大的应力存在，其中锁环下端最后一扣螺纹旋入位置应力水平最高，最大等效应力值为554．12MPa。位于锁环上端位置，几何变形最为明显，其中最大几何变形量为0．28713mm。这相对于35CrMo材料屈服极限还有较大的优化空间。3锁环结构多目标驱动优化图3锁环计算模型3．1基于AWE结构优化［4］优化设计目的是寻求最优设计方案，在提高网格划分:为了取得较规则网格效果，选择扫掠结构承载能力的同时减轻重量，其数学模型的一般表网格划分方式，手动设置左右两个对称端面作为扫掠达式:源面与目标面，整体网格单元大小为2mm，对上端结T设X=［x1，x2

8、，…，xn