基于A(yíng)NSYS的空分軸系及其零部件有限元模型研究

ISSN1o08-9446承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報第16卷第3期,2014年6月CN13-1265/TEJournal of Chengde Petroleum CollegeVol 16. No. 3. Jun. 2014基于 ANSYS的空分軸系及其零部件有限元模型研究韓彥龍,孫晨曦,王二利(承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校機械工程系,河北承德067000摘要:以某大型空氣分離機多機組軸系為研究對象,介紹了軸系在Pro/E軟件中建模過(guò)程;實(shí)現了Pro/E裝配模型導入 ANSYS軟件的無(wú)裂縫圖形聯(lián)接;研究了有限元模型網(wǎng)格劃分技巧以及有限元模型中零部件的處理方法。為復雜含零部件結構有限元模型的快速精確建立提供了參考和依據關(guān)鍵詞:軸系;Pro/E; ANSYS;有限元模型;中圖分類(lèi)號:TH122文獻標識碼:A文章編號:1008-9446(2014)03-001603Finite Element Model of Shaft System with Componentsand Parts of Air SeparationHAn Yan-long, SUN Chen-xi, WANG Er-IiDepartment of Mechanical Engineering, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)Abstract: Based on the study of a type of a large-scale air separations shaft system with componentsand parts, this thesis introduce the modeling process of the shaft system in Pro/E, put the assemblyPro/E model into ANSYS successfully without damage. Meshing technique is studied and the compo-nents are dealed with reasonably. The thesis quickly and accurately provides the reference and basishen finite element model of complex structure with components and parts is neededKey words: shaft system: Pro/E: ANSYS: finite element modelANSYS作為大型通用有限元分析軟件,已在工程中被廣泛運用。但其建模功能不夠強大,對于結構較復雜的模型,建模過(guò)程十分繁瑣21,空分軸系在 ANSYS中建模需要耗費大量時(shí)間與精力35)。本文運用Pro/E強大的參數化設計功能進(jìn)行實(shí)體建模并裝配,建立Pro/E與 ANSYS的無(wú)裂縫圖形接口聯(lián)接,提高軸系建模效率的同時(shí),保障了軸系有限元模型的精確性。P'ro/E建立軸系三維模型本文以機型為DMCL1204+2MCL1203+齒式增壓機的大型空分機組軸系為研究對象,其中機組低壓缸、中壓缸、汽輪機、齒式增壓機由三個(gè)膜片聯(lián)軸器依次聯(lián)接,結構布置如圖1所示。聯(lián)軸器中壓缸汽輪機壓機圖1空分機組結構收稿日期:2013-12-1作者簡(jiǎn)介:韓彥龍(1987-),男,河北石家莊人,承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校機械工程系助教,碩士,主要研究轉子動(dòng)力學(xué)與轉子穩定性工作。韓彥龍,等:基于 ANSYS的空分軸系及其零部件有限元模型研究17運用Pro/E分別建立軸系各軸段三維模型。其中,汽輪機軸為軸對稱(chēng)結構,其結構十分復雜。在軟件CAXA中建立其二維圖形,運用CAXA軟件裁剪等功能,將汽輪機軸沿著(zhù)中心線(xiàn)裁剪,建立汽輪機軸半、封閉、無(wú)重復線(xiàn)段的二維圖,并保存成*,dwg格式的共享文件,如圖2所示。圖2汽輪機軸二維共享文件共享文件在Pro/E中可以直接導入,作為三維建模旋轉命令時(shí)的草繪文件?？梢酝ㄟ^(guò)修改共享文件實(shí)現對模型的修正,避免了模型修正時(shí)重復草繪的大量瑣碎工作,汽輪機軸Pro/E模型如圖3所示。圖3汽輪機軸三維模型運用這種方法,將各軸段及聯(lián)軸器模型在Pro/E中裝配,建立軸系三維模型如圖4所示。圖4軸系裝配模型2Pro/E模型導入 ANSYS通?？梢酝ㄟ^(guò)3種方法實(shí)現Pro/E模型導入 ANSYS:將Po/E模型保存成IGES格式文件后導入ANSYS;將Pro/E模型保存成ANS格式文件后導人 ANSYS;建立Pro/E與 ANSYS的無(wú)裂縫圖形接口聯(lián)接,通過(guò)這種方法能夠實(shí)現兩種軟件的無(wú)裂縫聯(lián)接,模型不會(huì )有損失。本文采用這種方法將Pro/E裝配模型導入 ANSYS軟件,其基本操作過(guò)程如下:1)選擇 CAD Configuration Manager,然后再在對話(huà)框中選擇 CAD Selection選項,選中 Workbench andANSYS Geometry Interfaces和Pro/E,單擊Next;2)在Pro/E選項卡輸入Pro/E的啟動(dòng)目錄和安裝目錄,單擊Next;3)在 CAD Configuration選項卡中單擊 Disply Congiguration Log File,單擊 Configure Selected CAD In-race完成。運用這種方法時(shí)需要滿(mǎn)足,電腦同一系統下同時(shí)安裝有Pro/E和 ANSYS兩個(gè)軟件,并且Pro/E的版本不得高于同期A(yíng)NSYS12.1窗口(W)幫助(H的 ANSYS版本。本文實(shí)現了Pro/E5.0與 ANSYS12.1的聯(lián)△ Workbenchto Named Selection Manager接。聯(lián)接成功以后會(huì )在PE菜單中多出一項“ ANSYS12.1”, 2 Workbench Help如圖5所示。U About Workbench Geometry Interface完成Pro/E模型建立后直接單擊“ ANSYS12.1”菜單下ANSConConfi的“ ANSYS Geom”命令,可以將模型直接導人 ANSYS中,導ANSYSGeom入 ANSYS后的軸系模型如圖6所示。Pro/E建立的裝配模型導入 ANSYS時(shí)需要注意以下圖5Pro/E菜單中 ANSYS功能選項問(wèn)題:18承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報2014年第16卷第3期圖6 ANSYS軸系模型1)用鏡像命令建立的Pro/E模型導入 ANSYS時(shí)模型會(huì )發(fā)生損失,故Pro/E建模必須避免用鏡像命令;2)Pro/E和 ANSYS單位須統一,本文兩軟件中均采用國際單位制m-kg-s;3) ANSYS會(huì )將裝配模型中各零件視為獨立的模型,裝配模型導入 ANSYS后須進(jìn)行 Boolean運算本文所研究的裝配模型導入 ANSYS后需進(jìn)行g(shù)lue運算。3模型網(wǎng)格劃分空分軸系主軸材料為50Mn合金鋼,軸系總長(cháng)23m,總重約53.95t,彈性模量設置為2.0610Pa,泊松比為0.3,密度為7900kg/m3。選用soid273單元對模型1/4正截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分。solid273可以發(fā)生3D變形,通過(guò)設置對稱(chēng)截面,建立對稱(chēng)節點(diǎn)來(lái)顯示整體變形效果。這樣可以減少有限元模型網(wǎng)格數目,從而減少有限元分析的運算量和計時(shí),軸系模型1/4截面網(wǎng)格效果如圖7所示。圖7模型14截面網(wǎng)格劃分圖4有限元模型中零部件的處理1)葉輪軸系上裝配有8個(gè)葉輪,建立有限元模型時(shí),用集中質(zhì)量單元mas21l模擬葉輪,并將各質(zhì)量單元與其相應的軸系位置節點(diǎn)進(jìn)行全自由度的耦合。2)滑動(dòng)軸承軸系采用8個(gè)滑動(dòng)軸承支撐,每1個(gè)軸承用個(gè)彈簧單元 COMBIN214進(jìn)行模擬,彈簧單元的各參數對照軸承參數進(jìn)行設置。3)聯(lián)軸器在聯(lián)軸器與軸配合的地方,簡(jiǎn)化為一實(shí)心軸,如圖8所示其中黑點(diǎn)表示節點(diǎn),1-2和5-6節點(diǎn)間為軸與聯(lián)軸器配合部分,2-3和4-5節點(diǎn)間分別為左右法蘭,3-4節點(diǎn)間為聯(lián)軸器中間的空心軸6最終建立軸系含零部件有限元模型,如圖9圖8聯(lián)軸器模型所示。圖9有限元模型(下轉第27頁(yè))邢華,等:關(guān)于電磁場(chǎng)對單擺運動(dòng)控制的研究期大要求中間磁鐵斥力小、兩邊磁鐵吸力大,而希望擺幅大則要求中間斥力大、兩邊吸力小),往往要研究新的控制方法才能達到設計要求,所以編程難度很大。表1周期擺腳綜合測試結果角度設定值/(°)10152025顯示角度/(°)1周期0.5s顯示周期/s0.460.490.470.510.470.450.48顯示角度/(°)9周期1.0s顯示周期/s0.960.90.991.01顯示角度/(°)周期1.5s顯示周期/s1.471.491.461.511.51顯示角度/(°)112431周期2.0s顯示周期/s2.011.981.991.952.022.01綜上所述,本設計器件選擇獨特,硬件結構與軟件設計相對比較復雜,基本達到設計要求。參考文獻:1]張勇.ARM原理與C程序設計[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009[2]黃智偉.全國大學(xué)生電子設計竟賽常用電路模塊制作[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,20113]黃志偉,王彥,陳文光,等全國大學(xué)生電子設計竟賽訓練教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010[4]黃志偉全國大學(xué)生電子設計竟賽電路設計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011[5]張崇巍,李漢強.運動(dòng)控制系統[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2002[6]徐愛(ài)華.單片機應用技術(shù)教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003(上接第18頁(yè))5結論1)Pro/E建立三維模型時(shí)可以導入.dwg格式的共享文件作為草繪文件,從而提高建模效率,避免模型修改時(shí)重復建模的繁瑣過(guò)程;2)建立Pro/E與 ANSYS軟件的圖形無(wú)裂縫聯(lián)接,將Pro/E模型導入ANSYS,保障了有限元模型的精確建立,能夠有效彌補 ANSYS建模功能的不足;3)建立有限元模型時(shí),可用 solid273單元可對軸對稱(chēng)模型1/4正截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分,通過(guò)設置對稱(chēng)截面,建立對稱(chēng)節點(diǎn)來(lái)顯示整體變形效果;葉輪可用質(zhì)量單元mas1模擬;滑動(dòng)軸承可用彈簧單元 COMBIN214進(jìn)行模擬;膜片聯(lián)軸器可簡(jiǎn)化為一段多節點(diǎn)空心軸。參考文獻:[1]丁毓峰等, ANSYS"2有限元分析完全手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011[2]徐素影. 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