應用ANSYS優化設計傳動滾筒

汪祝芬，吳　磊

(安慶師范學院 物理與電氣工程學院， 安徽 安慶 246133)

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應用ANSYS優化設計傳動滾筒

汪祝芬，吳磊

(安慶師范學院 物理與電氣工程學院， 安徽 安慶 246133)

摘要：將優化設計理論引入到CAD，CAE，VD技術中，既能夠在產品的設計過程中不斷選擇設計參數并評選出最優方案，又可以加快設計速度,縮短設計周期。本文利用基于有限元法的ANSYS優化設計功能，選擇傳動滾筒的壁厚為設計變量，對傳動滾筒的壁厚進行優化設計，使產品既滿足使用要求，又能達到結構輕量化、設計效率提高的效果。

關鍵詞：傳動滾筒；參數化；優化設計；有限元法

帶式輸送機是現代最重要的散料輸送設備之一，被廣泛應用于煤炭、化工、電力、港口等行業。傳動滾筒是帶式輸送機的主要受力和易損部件,承受載荷復雜，其設計一直是一個難點，特別是許多新型滾筒目前尚未形成通用的設計系列，一般只認為，只要滾筒體厚度大于或等于輻板厚度即可。目前，對于重型滾筒主要憑經驗公式、增大安全系數的方法進行設計，結果使得滾筒質量偏大，但可靠性卻沒有明顯提高，更無法直接確定滾筒的危險點及其應力狀態[1-5]。本文運用參數化編程、有限元理論、優化設計等現代設計方法，對傳動滾筒的受力情況進行分析，優化壁厚，為滾筒的合理設計提供依據。

1參數化建模

在帶式輸送機設計手冊中，傳動滾筒直徑超過1 400 mm的尚未形成標準系列，設計時沒有參考，需進行驗證。現對某大型傳動滾筒進行優化設計，該筒殼長2 000 mm，筒殼厚50 mm，滾筒直徑2 000 mm，輪轂間距l 700 mm，筒殼外徑軸承間距2 400 mm，輪轂外徑700 mm，輻板厚45 mm，輸送帶松邊張力763.3 kN，緊邊張力l 325.7 kN，松邊張力方向線與重力方向線之間夾角120°，旋轉角速度3.15 rad/s，包角210°，選擇滾筒材料為Q235A，許用應力[α]=235Mpa。

為了便于后面進行優化設計選擇變量，本文采用自底向上的建模方式，以滾筒厚度、滾筒直徑、輪轂尺寸、輻板尺寸等為參數，建立帶式輸送機傳動滾筒的參數化模型。建模過程先建立相應結構處關鍵點，自點生成線，由線生成面，再到體，建立傳動滾筒模型，再利用ANSYS中的MESHTOOL對建立好的滾筒模型進行網格劃分[6]，滾筒模型和網格劃分結果分別如圖1和圖2所示。

2滾筒載荷的加載

傳動滾筒的載荷來源主要為(1)輸送帶對驅動滾筒的摩擦力；(2)輸送帶對滾筒表面的正壓力[7]，其中，輸送帶對驅動滾筒的摩擦力為

(1)

滾筒表面正壓力為

(2)

式中，μ—輸送帶與傳動滾筒表面的摩擦系數，R—滾筒半徑，B—輸送帶寬度，Sl—分離端張力，θ—圍包角。

已知公式(1)和公式(2)為非線性連續張力，而ANSYS中不能直接加載這樣的力，因此利用APDL語言編寫函數載荷公式進行加載滾筒載荷加載[8]，加載編程部分語句如下，

*DEL,_FNCNAME‘定義公式參數

*DEL,_FNCMTID

*DEL,_FNC_C1

……

*SET,_FNCNAME,′XX′ ‘定義加載函數名

*DIM,_FNC_C1,1

……

*SET,_FNC_C1(1),S

……

SFA,P51X,1,PRES, %XX%‘加載

3滾筒約束的確定

在有限元分析中，滾筒約束的確定就是設置滾筒有限元模型的邊界條件，即限制邊界節點的自由度。節點的自由度取決于所選的單元類型，每個節點最多只有沿x，y，z三個方向的平動自由度和沿x，y，z三個軸方向的轉動自由度。滾筒的邊界條件的確定，只需要模擬滾筒軸承對滾筒的約束就可以了。在傳動滾筒軸中，大多使用的是球面調心滾子軸承，滾筒軸在垂直軸方向能實現一定的轉動，因此要求在柱坐標系下模擬軸承約束，然后限制軸承節點的x，y方向的平動和轉動，z方向的平動。

4靜力分析

利用ANSYS強大的后處理功能，采用默認的直接解法，在不考慮滾筒的實際運轉狀態下對傳動滾筒進行靜力分析。由應變云圖(圖3)和應力云圖(圖4)可知，傳動滾筒中心處的位移最大，滾筒筒殼表面中部的應力也比較大，即傳動滾筒在應力最大的地方變形也最大，與實際情況是相符合的[9]，說明ANSYS為了模擬滾筒的實際工作情況，施加的載荷和約束是可行的，為后面優化設計的正確性奠定了基礎。

5滾筒的優化設計

應用ANSYS，采用控制變量法，選擇滾筒壁厚為控制變量，在保證滾筒正常工作的前提下，對滾筒結構進行優化。根據目前通用的方法，滾筒的正常工作條件為(1)傳動滾筒應保證最大位移不大于2倍直徑與2 800的比值，本文上述滾筒的最大許用位移[s]=2×2 000/2 800mm=1.43mm，(2)受力最大位移小于許用應力[σ]=235Mpa。初選滾筒壁厚50mm，逐次改變壁厚進行分析，5次分析結果如表1所示。

表1　分析結果

比較5組數據可知，滾筒最大位移、最大應力的值很難同時達到最小。因此，為保證滾筒的靜態特性，以滾筒最大位移為優先目標變量，選定第4組為最優序列，優化前后結果對比如表2所示。

表2　優化前后目標變量結果對比

從表2可以看出，優化后的體積減少了9.3%，優化效果明顯。

6結論

通過應用ANSYS對滾筒進行參數化建模、分析，基本掌握了滾筒的受力情況，然后通過控制變量法，選擇滾筒壁厚為控制變量，進行壁厚的優化設計，在滿足滾筒使用要求的前提下，減小了滾筒的體積，在一定程度上節約了制造成本，基本達到了預期的效果。更重要的是，可為該系統或類似系統結構的優化，提供一種新的高效可行的方法。

參考文獻:

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Optimal Design of the Driving Drum Based on ANSYS

WANG Zhu-fen, WU Lei

(Physics and Electrical Engineering Institute，Anqing Teachers College，Anqing 246133，China)

Abstract:To introduce the optimal design theory into the CAD, CAE, VD technology which were developed in recent years, it can not only select the optimal solution through constantly choosing the design parameters, but also improve the design speed and shorten the design cycle. In this paper, we apply ANSYS optimal design features based on FEM, optimize the drum thickness to be the variables, and make the products meet the requirements, while lightering the structure and improving the design efficiency.

Key words:driving drum, parameterization, optimized design, FEM

中圖分類號：TH222

文獻標識碼：A

文章編號：1007-4260(2015)01-0040-03

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.01.011

作者簡介：汪祝芬，女，安徽潛山人，碩士，安慶師范學院物理與電氣工程學院教師，主要從事礦山運輸機械的研究。

基金項目：安慶師范學院校青年基金(KJ201313)。

收稿日期：2014-04-03