基于Ansys的球磨機干燥設備有限元熱力耦合分析

王海洋，姚芳萍

（遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，錦州 121001）

0 引言

球磨機是物料被破碎之后再進行粉碎的關鍵設備。它被廣泛應用于水泥、硅酸鹽制品、新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑與有色金屬選礦以及玻璃陶瓷等生產行業，對各種礦石和其他可磨性物料進行干式或濕式粉磨。長遠來看，球磨機仍將是該行業的主要設備，其相關研究已經受到了高度重視，并取得了豐碩成果。而物料經球磨機粉磨后必須進行干燥，因此，對球磨機后續干燥設備的研究也非常必要。

如果需要對選礦設備進行技術革新，升級設備自動化水平，有時需對其中的球磨機后續干燥設備進行改造，以圖1中所示梁為例，為了保證設備安全可靠，對其結構進行有限元熱力耦合分析。

1 軟件介紹

Ansys軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析與一體的大型通用有限元分析軟件。它能與大多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，如Pro/Engineer、Nastran、A logor、I—DEAS、AutoCAD等，是現代產品設計中的高級CAE工具之一。所以選擇Ansys軟件作為對干燥設備中梁結構進行有限元熱力耦合分析的工具。

2 方案分析

如圖1所示：干燥設備中被窯頭罩子包圍的梁受到1500度高溫氣體影響，在罩子兩側的梁被托輥支撐，在罩子之外的梁與室溫空氣直接接觸，梁的內部流動冷卻水（假設流入水溫為22度，流出水溫為80度），梁的中部受到重物施壓。在此情況下通過有限元分析觀察梁的變形，從而確定其合理的尺寸和結構。

對梁進行有限元分析時需作如下假設：

1) 單根梁的承重與梁成線接觸；

2) 梁上介于高溫氣體和室溫空氣之間的部分所受的氣體溫度為500度，對流換熱系數為25W/m2●℃；

3) 在熱分析過程中，溫度載荷是以熱對流形式設置。

圖1 梁及其裝置結構圖

3 有限元分析

在Ansys中，首先對梁進行有限元建模并劃分單元格。在有限元分析中獲得四面體單元3440個，22281個節點，如圖2所示。然后設置溫度載荷，在熱分析過程中，溫度載荷是以熱對流形式設置（如圖3所示），具體如下：

4）D面—即與冷卻水接觸的管道內壁，設置為環境初始溫度22，最終溫度為80，熱對流系數為1200W/m2●。

受力和約束情況如圖4所示，具體如下：

A—管道自身重力；

B—在B處施加約束，限制該位置的管道向下移動，但不限制其他兩方向移動；

C—受到重物施加的壓力。

圖2 有限元網格模型

圖3 溫度載荷設置情況

圖4 約束和載荷設置情況

圖5 靜力學分析（壓力為10噸）——應力分析

圖6 靜力學分析（壓力為10噸）——應變分析

圖7 靜力學分析（壓力為 10噸）——位移和變形

圖8 熱結構分析——溫度分布

圖9 熱結構分析（壓力為10噸）——應力

表1 碳素鋼和低合金鋼鋼板許用應力

表2 梁中部受熱受力變形情況

圖10 熱結構分析（壓力為10噸）——應變

圖11 熱結構分析（壓力為 10噸）——位移變形

分別對梁在受10噸、30噸和50噸壓力時的應力、應變、位移和變形進行了分析，并在熱力耦合狀態下分析了梁的應變、位移和變形。圖5～7所示為當梁所受壓力為10噸時，其應力、應變、位移和變形的云圖；圖8所示為對梁進行熱結構分析時其溫度分布的情況；圖9～11所示為梁壓力為10噸時，在熱力耦合狀態下其應力、應變、位移和變形的云圖（壓力為30噸和50噸時的分析結果略）。表2所示為梁在純粹壓力和熱力耦合狀態下基于Ansys軟件對其進行分析得出的應力、應變、位移和變形的最大值及許用值。

梁的材料為20號鍋爐鋼，轉成現在的標準是Q245R，所以根據表1中 Q245R的許用應力表比較表2中的等效應力可知，隨著溫度的增大，最大等效應力增大，而Q245R的許用應力降低。只有當靜力作用等于10噸時，梁的最大等效應力是小于許用應力的，符合實際使用要求。

要使梁在大于10噸壓力的狀態下工作，則必須對其結構進行改善，從而增加其強度，符合使用要求。

4 結論

隨著計算機技術的飛快發展，機械裝備有限元熱力耦合得到了前所未有的提高和應用。本文基于ANSYS軟件對球磨機干燥設備設計中改進梁結構進行預演算，通過施加與實際工況相近的邊界條件，獲得了較精確的數據，為該關鍵梁結構的開發研制奠定了基礎。

[1] 曾攀.有限元分析及應用[M].清華大學出版社,2004.

[2] 孫宗猛,周家勇,劉訓志.某鍋爐管屏的人力耦合有限元分析[J].技術與市場,2010,11.

[3] 曹淑敏,陳其偉,朱國輝,完衛國.20MnSi鋼筋熱連軋溫度場的熱力耦合分析[J].安徽工業大學學報,2011,04期.