ANSYS子模型法在管磨機筒體結構應力分析中的應用

張海平 劉艾明 陶瑛

中材建設有限公司（100176）

ANSYS子模型法在管磨機筒體結構應力分析中的應用

張海平 劉艾明 陶瑛

中材建設有限公司（100176）

在管磨機運行中，筒體承受重載交變的動載荷，并處于低速而長期連續運轉的狀態。要保證管磨機簡體在工作中安全可靠，并能長期使用，有必要對其進行有限元分析。運用ANSYS子模型法對管磨機筒體整體結構采用殼單元計算，對筒體的關鍵部件采用實體單元進行單獨計算，可以獲得更好的計算精度，為磨機筒體的設計提供一定的參考。

ANSYS；管磨機；筒體；有限元分析；子模型

0 前言

管磨機筒體是用鋼板卷制焊接而成的圓筒形薄壁殼體，在筒體上還開有磨門（人孔）和螺栓孔。筒體承受重載交變的動載荷，并處于低速而長期連續運轉的狀態。管磨機筒體是不更換的零件，要保證其安全可靠，并能長期使用[1]。

基于有限元的應力分析方法是目前管磨機筒體分析設計中較常用的一種方法。對大型的筒體設備結構而言,如果整體模型全部采用實體單元，那整體模型的建立、網格劃分和計算將非常困難,而采用殼單元計算又不能得到關鍵部件的準確應力值和峰值應力值。應用ANSYS子模型法能較好地解決整體分析與局部分析的關系，整體模型采用殼單元，子模型采用實體單元。

1 子模型方法

子模型是得到模型部分區域中更加精確解的有限單元技術,即從已分析的模型上截取部分區域,對該區域的網格進行細劃后進行二次應力分析，從而得到更為精確的結果。子模型方法又稱為切割邊界位移法或特定邊界位移法。切割邊界就是子模型從整個較粗糙的模型分割開的邊界，整體模型切割邊界的計算位移即為子模型的邊界條件。

子模型分析過程一般包括建立并分析較粗糙的整體模型、建立子模型、生成切割邊界插值、分析子模型、驗證切割邊界和應力集中區域的距離應足夠遠等5個步驟。子模型只對體單元和殼單元有效。比較常見的整體模型和子模型一般有殼到殼、體到體子模型技術，本文使用的是較特殊的殼到體子模型技術[2]。

2 模型建立及分析

2.1 整體模型建立

該管磨機筒體是由進口滑環、出口滑環、筒體、隔艙板、傳動接管、進料端滑履、出料端滑履組成。其中，進口滑環、出口滑環與筒體焊接在一起；傳動接管通過焊接在其上的法蘭用螺栓與出口滑環連接在一起；隔艙板通過螺栓與筒體連接，并把筒體分成兩個艙，每個艙開有一個人孔門，兩入孔門成180°角放置；筒體通過兩側的滑環支撐在四個滑履上。

在建立分析模型時沒有建立襯板、螺栓等模型,這是因為襯板截面形狀復雜，難以建立與實際相符的模型；螺栓數目較多，如果建模時全部考慮，則大大增加模型的復雜程度，浪費計算機資源。這里將筒體的襯板、螺栓等按非結構質量處理,把它們的質量按等效密度施加到相應的筒體單元上[3]。

根據筒體的結構，采用了殼單元建模。兩側的四個滑履采用了實體單元建模。筒體整體模型如圖1所示。為了更好地模擬所有易產生應力集中的區域,人孔門及其圓角等關鍵區域網格劃分較細，而非關鍵區域網格則可適當粗大。模型網格劃分見圖2和圖3。

圖1 筒體整體模型

圖2 筒體整體模型網格劃分

圖3 人孔門網格劃分

2.2 邊界條件

根據管磨機的運行情況，出料端兩滑履的底部表面施加固定約束，進料端兩滑履的底部表面施加簡支約束。兩端的滑環與相應端的滑履通過接觸單元連接。

把管磨機運轉一周均勻地分成12個等分，每等分稱為1時，總共12時。在管磨機運轉過程中，研磨體和物料等作用于磨機筒體上的載荷是動態變化的，此處進行適當簡化[4]。對于管磨機，按研磨體填充率30%計算，相應的“液面”距中心平面高度為1 434 mm，且“液面”水平。

經計算，進料端襯板的質量為6 995 kg，出料篦板的質量為8 249 kg,隔艙板的質量為17 832 kg,兩艙襯板的質量為87 675 kg,作用力方向均豎直向下。

2.3 子模型建立

管磨機筒體最大的等效應力出現在出料端人孔門的圓角區域。為了得到此處更為精確的結果，采用ANSYS的子模型法對關鍵部位人孔門進行應力分析。

在保存、分析粗糙的整體模型結果后，清除數據庫或退出重新進入ANSYS，以便建立子模型，見圖4和圖5。

圖4 子模型

圖5 子模型網格劃分

建立子模型時，應遵循以下幾點：

使用與粗糙的整體模型中同樣的單元類型，同時應指定相同的單元實常數和材料特性。

子模型的位置（相對全局坐標原點）應與粗糙的整體模型的相應部分相同。

子模型的載荷應與粗糙的整體模型相同。

子模型建立后，對其進行切割邊界條件插值，即把原始粗糙的整體模型計算結果的節點位移映射到子模型的切割邊界上。

3 分析結果對比

整體模型采用殼單元建模，只能計算出各處沿壁厚的平均應力，即薄膜應力。整體建模無法詳細考慮局部結構不連續，所以整體模型計算所得的應力僅供參考，對局部結構的應力分析及線性化處理還需要局部結構的子模型分析。整體模型計算出局部結構切割面的位移，并將這些位移以載荷的形式加載到用實體單元建模的子模型即局部結構上。

對整體模型和子模型分別進行求解，分別得到整體模型的應力分析結果見圖6、圖7和圖8，子模型的應力分析結果見圖9和圖10。由圖7和圖9以及圖8和圖10可以看出，兩者的應力云圖吻合，整體模型和子模型在人孔門及其附近的應力分布相似。整體模型的最大應力在人孔門的圓角處，其值為69.7 MPa；子模型的最大應力也在人孔門的圓角處，其值為74.3 MPa。

圖6 整體模型的等效應力分布圖

圖7 整體模型人孔門（內側）的等效應力分布圖（左）

圖8 整體模型人孔門（外側）的等效應力分布圖（右）

圖9 子模型人孔門（內側）的等效應力分布圖（左）

圖10 子模型人孔門（外側）的等效應力分布圖（右）

4 結論

有限元分析結果表明，子模型的應力分布與粗糙的整體模型相應位置的應力分布吻合很好，證明切割邊界的選取是正確的。如果不符合的話，就要重新定義離感興趣部分更遠一些的切割邊界重新生成和計算子模型。在選擇切割邊界時一定要注意遠離應力集中區域。

大型設備的應力分析較為復雜,應用ANSYS子模型法中殼單元到體單元技術，可以很好地解決整體結構和局部結構的應力問題，該方法是大型設備結構應力分析的一種有效方法。

[1]朱昆泉,許林發.建材機械工程手冊[M].武漢：武漢工業大學出版社,2000.

[2]劉濤,楊鳳鵬,等.精通ANSYS[M].北京：清華大學出版社, 2002.

[3]張海平.管磨機筒體有限元分析的探討[J].水泥工程,2013 (4)：35-37.

[4]張海平,陶瑛,王國民.管磨機筒體有限元分析載荷施加方法的探討[J].河南建材,2015(3)：142-143.