高志惠，黃維菊，張俊青，陳文梅
                         （四川大學化學工程學院，四川成都610065）
    摘要：有限元法作為離心機強度計算的數值分析方法，相對于傳統的強度計算方法有著顯著的優越性。對有限元法在臥螺離心機轉鼓強度分析上的應用進行了總結，對用有限元法分析轉鼓強度時應重點考慮的問題進行了討論，并對其在臥螺離心機設計中的更多應用進行了展望。
    關鍵詞：臥螺離心機；轉鼓；有限元法；強度
    中圖分類號：TQ051.8+4文獻標識碼：A文章編號：1005-8265（2009）04-0033-03
    0 引言
    臥式螺旋卸料沉降離心機(下稱“臥螺離心機”)自 1954年出現后，由于它具有單機處理能力大、操作方 便、能連續自動操作、勞動強度低、占地面積少以及維 護費用低等優點，得到了迅速發展，廣泛應用于石油、化工、冶金、醫藥、食品、輕工等部門。由于懸浮液的沉降、沉渣的輸送和脫水都在轉鼓中完成，因此轉鼓是臥螺離心機的主要部件[1]。因轉鼓結構較復雜，用傳統的 強度設計計算方法，對轉鼓各部位的應力往往得不到 正確的估價從而影響離心機使用的安全性[2]，并且按此算法設計的離心機轉鼓系相關尺寸有較大富裕，造成 材料的浪費，是很不經濟的[3]。采用有限元法分析設計轉鼓是解決這個問題的有效手段，它不受幾何形狀的限制，可以直接對轉鼓整體的各部分進行詳細計算，具有重要實際工程價值。
    2 有限元法在轉鼓強度分析上的應用
    由于臥螺離心機轉鼓結構的多樣性及復雜性，如 Souroku Suzuki研制的雙錐角臥螺離心機[4]；Woon-Fong Leung等在轉鼓錐段排出口附近的內筒上安裝流動控 制結構[5]；Tetsuo Ohinata等開發的直筒壓榨式臥螺離 心機[6]，使得適合分析復雜結構的有限元法得到了廣泛 應用。從1983年起，英國BS76“7工業及商業用過濾式 離心機和沉降式離心機”標準就明確指出，對于旋轉轉 鼓的應力分析，最合適的方法是有限元分析方法[7]。為 探求合理的設計計算方法，我國從20世紀80年代起，也開始將有限元法用于離心機轉鼓的應力分析[8~9]。
    2.1應用現狀
    近20多年來，許多學者和工程技術人員先后開展了有限元分析在轉鼓強度計算上的應用研究，取得了極有價值的成果。
    在優化轉鼓目標函數方面，以轉鼓重量為目標函數，以強度約束、位移約束和幾何約束為約束條件，采用有限元法作應力分析，運用混合懲罰函數法進行尋 優[10]；以啟動轉鼓所需的驅動功率為目標函數，以填料比例、轉鼓轉速、摩擦系數及回彈系數等參數為設計變量，應用有限元法對轉鼓部件進行仿真，得到了填料比例、轉鼓轉速、摩擦系數對動態結構仿真影響很大的結 論[11]；以轉動慣量為目標函數，采用ANSYS有限元軟 件對轉鼓完成參數化建模，以這些參數為設計變量，基 于有限元分析計算，對轉鼓結構的幾何尺寸進行優化 設計[12]；以分離因數為目標函數，以轉鼓直徑、回轉角 速度、壁厚為設計變量建立優化設計數學模型，經過逐 次迭代，得到了轉鼓的優化尺寸，提高了轉鼓的分離能力，降低了轉鼓的壁厚[13]。
    在研究轉鼓參數方面，應用Pro/E軟件建立了臥螺離心機轉鼓的有限元模型，通過改變轉鼓內徑、大端質量、筒體壁厚等主要尺寸參數和轉速、液池深度等可 調節的機械參數分別對轉鼓進行了模態和靜力仿真分析。通過分析，分別獲得轉鼓各參數的變化對其頻率、 應力及應變的影響[14]；通過ANSYS有限元軟件分析轉 鼓系統的模態特性及變形問題，通過對轉速的優化，得到了轉鼓在一、二階固有頻率下其最大變形值分別發 生在大端和小端的結論[15]；應用VisualNastran有限元 仿真軟件對臥螺離心機轉鼓虛擬樣機模型在各種工況 下進行應力應變仿真分析，得到了轉鼓的應力和徑向 位移的分布情況。并在此基礎上，主要對轉鼓轉速[16]和 轉鼓壁厚進行了優化，提高了離心機的分離效果，減輕了離心機質量。
    在研究轉鼓結構方面，應用ANSYS有限元軟件建 立了臥螺離心機雙錐角轉鼓的二維有限元模型，對其 在正常工作狀態下的整體結構進行了靜力分析，得到 了轉鼓的徑向、軸向變形和應力分布及最大應力點[17]。 對改進后的雙錐角轉鼓進行強度和剛度的校核，為驗 證雙錐角結構的安全性提供了理論依據。
除此以外，在回顧以往轉鼓強度分析的基礎上，探 討了轉鼓強度評定準則[18]；應用Pro/E軟件，對臥式螺 旋沉降離心機進行參數化建模和可視化設計，并對臥 式螺旋沉降離心機轉鼓進行機構工作過程仿真，實現 了在臥螺離心機的設計階段可視地對它進行干涉檢 測，為實物的制作及安裝環境提供一切必要的準備[19] 等等。
    2.2用有限元法分析轉鼓強度時應重點考慮的問題
    2.2.1研究參數的選取問題
    目前對臥螺離心機轉鼓強度的有限元分析主要在改變參數后看轉鼓是否還滿足強度和剛度要求。其實轉鼓的結構、形狀和參數在很大程度上決定了離心機 的特點和工藝效果。若是轉鼓參數變化導致其強度低，很難提高離心機的分離因數，束縛了大直徑、高轉速離 心機的發展。而且目前對轉鼓參數的研究僅限于轉速、 壁厚、液池深度、內徑等這幾個方面，并且一般在選定參數的時候往往根據定性分析憑經驗選取參數，然后 在實際生產中依賴實驗室的小試或中試結果進行模擬放大。這種以經驗、試湊、靜態、定性為特點的方法以及 “設計—樣機—試驗—修改”不斷循環的優化過程既麻 煩，又浪費成本。所以在研究轉鼓參數的同時還應該考慮轉鼓結構、形狀及還未進行過研究的參數。
    2.2.2有限元模型建立的問題
    在有限元模型建立中，模型的簡化、網格的劃分、 約束條件的選取和載荷的施加都顯得尤為重要，它們 都將直接影響到計算結果的精確性。
    2.2.2.1模型簡化問題
    在有限元分析中，為了減少占用的RAM、硬盤空間和CPU時間，必須適當地簡化實體。目前，許多分析 對臥螺離心機轉鼓用軸對稱模型加以模擬。一些學者 對轉鼓的螺釘聯接處、焊接部位及圓角和倒角也作了 簡化[20]。簡化一些無關緊要的細節能使分析求解盡可 能地高效，但問題是隨著圓角和其它一些細節被簡化， 在它們鄰近區域內計算出的應力值可能不準確。比如 用一個尖角代替倒角，尖角處產生奇異，導致該處有無 限大的應力集中因子。雖然奇異并不防礙有限元分析 在該處的應力計算，但計算的結果卻不能反映真實應 力。因此，對于局部應力的考察，通常解決方案有3種： 在模型中添加該細節重新計算、子模型法和外插值法。
    2.2.2.2網格劃分問題
    網格劃分直接影響到計算結果的精度和計算速 度，甚至會因為網格劃分不合理而導致計算不收斂。 目前對臥螺離心機轉鼓的網格劃分一般采用四面體 單元。對于四面體單元，如果不使用中間節點，在很多 問題中將會產生不正確的結果，如果使用中間節點將 會引起求解時間、收斂速度等方面的一系列問題。所 以目前情況下，可以在可能出現應力集中的位置、轉 鼓壁或擬定的重點考察位置網格適當細化，使之能以 較高的精度得到這些位置的應力，從而保證計算結果 的精度。同時為了考察網格劃分的合理程度，在計算 模型建立后進行試算，以考察模型精度，特別是重點 考察區域的精度。
    2.2.2.3約束條件問題
    建立臥螺離心機轉鼓有限元分析模型應當在每個 坐標軸方向上至少給定一個約束，受約束節點的數量 根據實際情況具體確定。定義約束條件是一個容易產 生較大誤差的地方。通常的誤差來自于過約束模型，其 后果是結構過于剛硬并低估了實際變形量和應力值。 臥螺離心機轉鼓的約束是根據具體結構確定的。對于 同一結構，約束不同，它的固有頻率和振型都不同，從 而就會影響轉鼓的模態分析。所以在選擇轉鼓約束的 時候，應當充分考慮所研究的對象及由此約束可能帶 來的結果。
    2.2.2.4載荷問題
    在臥螺離心機運行過程中，轉鼓主要承受由于轉 鼓自身質量高速旋轉引起的離心力作用以及物料離心 壓力作用。值得注意的是轉鼓自身質量引起的離心力 作用容易考慮，計算軟件通常提供此項分析功能。但由 于物料離心壓力與回轉半徑的平方成正比，計算軟件通常不能自動將這個壓力施加到模型中，因此，在建立 計算模型前需要計算出不同徑向位置的離心壓力；或 者通過構建載荷函數，調用函數加載，實現精確加載[21]。
    2.2.3實體模型的導入問題
    在進行有限元分析時，目前大都是應用Pro/E等 三維軟件對轉鼓建立實體模型，然后通過導入接口導 入到專業的有限元分析軟件ANSYS中進行分析。這種 軟件分析的功能比較強大，可以進行全面的力學分析， 但是使用者應具有豐厚的力學背景知識，還需要多次 的實踐和經驗積累，因為專業，所以比較難學[22]。而且 最致命的缺點就是在將Pro/E模型導入ANSYS時，經 常會出現復雜曲面發生曲面丟失或者變形的情況。有 些學者為了解決導入帶來的問題，就直接在ANSYS軟 件中進行分析對象的實體建模，以求得到更加準確的 分析結果。但是ANSYS是側重于有限元分析的軟件， 用它來實體建模會很不方便。若使用集成有Cos－ mosWorks有限元分析軟件的SolidWorks軟件，在傳統 強度設計計算的基礎上，用SolidWorks軟件建立三維 模型，用CosmosWorks有限元分析軟件進行應力的有 限元分析，既方便快捷，又能較為準確地確定各部位的 應力值。
    3 展望
    有限元法在臥螺離心機的分析設計中發揮了非常 重要的作用，使離心機的結構得到了優化，有效地提高 了工作性能，帶來了良好的經濟效益。但目前情況下， 大都將螺旋輸送器、轉鼓等零部件分開進行研究，對螺 旋-轉鼓組進行整體研究的卻很少，即使進行整體研究 時，為了簡化模型，也將螺旋-轉鼓組考慮為多剛體系 統，所得結果不能真實反映離心機的工作特性；目前尚 未有用于離心機轉鼓應力分析評定的系統方法，考慮 到離心機轉鼓可以認為是一種特殊的承壓設備，所以 對轉鼓進行有限元應力分析時，可以參照在壓力容器 行業制定的應力分析評定標準，但有限元法不能對應 力進行進一步分析，不能區分出應力的類型，得出的結 論不能對轉鼓的優化提供更加可信的科學依據，這些 方面還有待進一步的研究與發展。有限元法在離心機 行業將會有更廣大的空間。比如用有限元法分析轉鼓 在焊接過程中的殘余應力，充分指導機械的焊接過程； 在開機、停機等瞬態過程中的應力進行分析，解決在這 些過程中的機器損害等等。
    總之，在各個方面都預示著，有限元法在臥螺離心機的設計制造等各個環節將發揮著重要作用，它使離心機向著更安全、更經濟的方向發展的目標成為可能。 可以樂觀的估計，在不遠的將來，有限元方法將非常廣泛地應用到離心機行業的各個領域，它將為我國的離心機設計水平趕超國際先進水平而發揮重要的作用。
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