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有限元分析报告书
轴流式通风机叶轮与机座有限元分析
分析与优化报告书
第一部分机座白勺有限兀分析与优化
1.1机座分析白勺已知条件4
1.2材料白勺力学性能
4
1.3有限元分析模型4
1.3.1分析前白勺假设
4
1.3.2建立分析模型5
1.3.3建立有限元分析模型7
1.4计算结果7
1.4.1变形结果7
1.4.2应力结果8
1.4.3路径结果11
1.4.4分析结果评判13
1.5.1
优化参数白勺确定
14
1.5.2
优化模型白勺建立
15
1.5.3
优化分析白勺结果
16
1.5.4
优化结果评判------
1.5机座优化14
第二部分
轮毂白勺有限兀分析与优化
18
2.1
轮毂分析白勺已知条件
18
2.2
材料白勺力学性能
18
2.3
有限元分析模型
2.3.1分析前白勺假设
19
19
17
2.3.2建立分析模型20
2.3.3建立有限元分析模型22
2.4计算结果22
2.4.1变形结果22
2.4.2应力结果25
2.4.3路径结果30
2.4.4结果分析36
2.5轮毂优化38
2.5.1轮毂转速在n=1000rpm38
2.5.2轮毂转速在n=750rpm43
参考文献46
第一部分机座白勺有限元分析与优化
1.1机座分析白勺已知条件
根据合同内容,甲方提供白勺已知条件有:
1机座结构白勺设计图1张(3号图纸),见附件1(原图白勺复印件).
2机座白勺工作环境条件:
工作温度:
常温工作环境:
煤矿通风,并安装在地面上.
3配套电机型号:
YBF355L1-8-185KW380V
4电机及叶轮白勺重量为:
电机总重量:
2200kg(由甲方提供)
叶轮白勺总重量:
543.8kg(由称重和分析模型计算得到)
1.2材料白勺力学性能
1根据设计图纸,机座结构白勺材料为:
Q235A
查文献[1]有:
密度:
P=7.85t/m3(第1-6页)弹性模量:
E二196〜206GPa(第1-7页),取E=200GPa泊松比:
—0.3
切变模量:
G79GPa
屈服极限:
二s=235Mpa对于钢板厚度为:
乞16mm(第3-12页)二s=225Mpa对于钢板厚度为:
16-40mm
抗拉强度:
二b=375-500Mpa
2叶片材料:
ZL104
密度:
P=2.7t/m3(第1-6页)
重力加速度:
9.8m/s2
1.3有限元分析模型
1.3.1分析前白勺假设
由于机座结构主要通过焊接和螺栓连接组成,没有相对运动白勺零部件,
因此在建立有限元分析模型之前提出如下假设.
1假设结构件白勺焊接是完全可靠白勺,结构件之间已全焊透,没有焊
接残余应力白勺存在,在分析时不考虑焊脚高度对结构白勺影响.
2假设机座结构不存在任何制造或安装变形,在分析中按图纸白勺理想结构进行建模•
3假定螺栓连接可靠,不考虑螺栓连接白勺预应力对结构件白勺影响,
4不考虑工艺孔或不影响结构分析白勺附件结构(如通风孔白勺遮盖).
5不考虑风压载荷对机座白勺影响.
6假定叶轮是完全平衡包括动平衡和静平衡•
132建立分析模型
1结构简化
根据对甲方提供图纸白勺分析可知,当不考虑电机引出线管结构时,机座结构具有对称性,而且其载荷即电机和叶轮白勺自重也是对称白勺,因此在分析时暂不考虑电机引出线管结构白勺影响,这样可以将机座结构进行简化,即根据其对称性,只要对机座结构白勺一半建立有限元分析模型即可
图i机座白勺简化分析模型
2载荷简化
由于不考虑风压及其动载荷白勺影响,在仅考虑自重白勺情况下,机座白勺受力载荷有:
1、机座本身白勺自重
2、由电机、轮毂和叶片自重所构成白勺载荷,它们各自重量为:
1电机白勺重量:
Wd=2200kg(由甲方提供)
2轮毂白勺重量:
W厂327.8kg(按图纸计算)
3叶片白勺重量:
单个叶片白勺重量为:
13.5kg(实际称重),则总白勺重量为:
Wy=13.516=216kg
图2电机及轮毂白勺受力结构示意图
X
其受力结构示意图如图2所示.
设电机白勺自重位于电机安装位置白勺轴心中部,轮毂与叶片白勺总重量作用在电机轴引出端白勺中心.将轮毂与叶片白勺重力向电机自重白勺作用位置平移,由此将产生一个弯矩Mx和总重力W,其中:
W=WdWWy二2200327.8216二2743.8kg
=26889.24N
Mx二側Wy)0.645=(327.8216)0.645=350.751kgm
=3437.36Nm
将总重力作用在电机与机座白勺接触面上,并假设其接触均匀,则由图2可知,接触面白勺面积A为:
2
A=1509002-270000mm
2
0.27m
则作用在接触面上白勺压力载荷P为:
26889.24
0.27
=99589.78
考虑到结构和载荷白勺简化,将压力载荷放大
Pa
20%即有:
P十二P1.2=119507.736Pa
综上所述,这样施加到机座用于有限元分析白勺载荷有3个:
1弯矩:
Mx二3437.36Nm
2压力:
P十=119507.736Pa
3机座自身白勺重力
施加白勺位置如图1所示.
3约束简化
(1)机座与地面白勺约束
当机座与地面白勺连接牢固时,可以假设机座与地面接触面白勺自由度完全限制,因此在分析时,将对机座与地面白勺接触面进行全约束.
(2)机座对称面白勺约束
由于结构白勺对称性,在分析时可以只要分析其中白勺一半即可,而在对称面上施加对称约束.
施加约束白勺具体情况可参考图1上白勺说明.
133建立有限元模型
由于机座结构是采用薄板通过焊接而成,板白勺厚度与其长或宽白勺尺寸
相比要小得多,因此在有限元分析时宜采用壳单元进行分析,根据壳单元白勺特性,在建立几何模型时,可采用其中性面建立.在这里,本人采用了ANSYS软件中白勺壳单元SHELL63由于结构白勺不规则性较多,戈U分网格时采用自由划分,设置单元白勺长度为0.030单位,共划分了壳单元33345个,节点33589个,分析计算运行时间为378.77秒,其网格图如图3所示.
Y
Z
图3机座有限元分析白勺网格图
1.4计算结果
采用大型通用CAE软件ANSYS寸图3所示白勺网格结构进行了分析计算,其计算结果如下,其中坐标系如图3所示.
1.4.1变形结果
1、X方向白勺变形分布云图
在X方向白勺变形分布如图4a所示,其中最大白勺X方向变形发生在内筒体白勺中部偏下白勺位置.其中最大白勺位移为:
Ux=0.73110,m
2、丫方向白勺变形分布云图
在丫方向白勺变形分布如图4b所示,其中最大白勺丫方向变形发生在内筒体白勺中部螺栓连接板白勺位置.其中最大白勺位移为:
Uy=-0.002193m,
而其它位置白勺位移主要介于-0.210“二0.49410,m之间
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ANSYSI
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--□D21P3001695--DDL1P6-.69BE-D3-.20DE-D3
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-57BE-DJ3
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TheAnaiyvj.9orBysmueaennt
TheAnalysisOfframebyShell^l^jnent
(a)X方向白勺变形结果
(b)丫
方向变形白勺结果
NODALS^lfTIQN
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=1Iv
SUB-1七
TrME=l
UZ(AVG)
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BMC=.0»21?
3
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ANSYS
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SUB=17
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U>沖
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(AVG)
DMX=.DD2193
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.364E-05,a43E-DS.132E-U4
-.355E-05-1Z4E-05■初4G05.10BE-D4.156E-04
TheAnalysisor£t;ain.ebyshellelement
0-305E-05-L22E-04-438E-04..0D2193
b153E-Q5,610E-05^44E-Q4iB2fl41E-03
TheAnalysisofframebyshellelement
(c)Z方向白勺变形结果(d)机座白勺总变形分布
图4机座变形等值线分布图
3、Z方向白勺变形分布云图
Z方向白勺变形结果如图4c所示,其中最大白勺Z方向变形发生在电机安装板白勺支撑板上,其值为:
Uz=0.15610厦m,其它位置基本上位于
-0.35510』〜0.36410^m
4、总变形分布云图
机座白勺总变形结果分布云图如图4d所示,其中最大白勺变形值为
U=0.002193m,且发生在电机安装板白勺位置.内筒体与外筒体相比,其变形要大一些,基本上介于0.12210*〜0.24410’m之间.对于外筒体而言,其筒体上部白勺变形要比筒体下部白勺变形要大.
1.4.2应力结果
1、X方向白勺应力分布云图
如图5a所示为机座在X方向白勺应力等值线分布云图,其中最大白勺X
方向拉应力和压应力均位于电机安装板白勺中心位置附近,最大拉应力为:
二=0.153109Pa,最大压应力为:
二x—0.155109Pa,其余位置白勺应力基本介于-0.181108〜0.161108Pa之间
STEP-1i
SUB-17
Tm-i
axIJ^VO)
RS"jrS-0
DMX-.QO21J-3
9Mt(«--155E+09
swcS.153K+D?
-.L55E+D9-aE64El+i:
B-.lBlUOB・SOZE+Ca・139EX1P
-.121E+O9-.52JE+I9.IglE^OB.94^E+ TheAnalysisdEfran^byshell (a)X方向白勺应力等值线分布云图 IK: 蔥ALSQI^OTIOW 5TEP-1Isub=1y TEME=L SZ;(AVG) RS¥S=IO DMX-.0D2193 SMW»--KHJE+a9 SMX=b104E^H19 ANSYS EMe_19 -.1D4E;*a9-.57SE-I-Dfl-.115E-I-DB.34BE-I-DB-B1ZE+D6 --.BD9E-H3S-B346E+03*117E+Cie・S60E+0S・104E+09 TheAnalysis口ffr-amebyshellelement NODALSOJ.UTION ANSYS --412E1+08-.256E1+08-.103E+Q9・506E+07・205E+08 -r335E+gfl-719DE+a@-.PZ6^E+ STEP-1J仙=1y TIMEbI SY RSY9«0 CMC■: .0021933MN=-.^12E+0931CC--292E+0B TheADalysisofframebyshelleleinent (b)丫方向应力等值线分布云图 NODALSOXimON 5TEP-11y SUB-1j TIME=1 BEJQV(StVGj DMK=.0(1219'3 5MX=.135E+09 ANSYS frame_19 D537^00-375E+irJ;150£+09.I35E+09 46675口,L9BE+U7H15DE+D7.450E+0Q TheAnalysisofframebyshellelement (c)机座Z方向白勺应力等值线分布云图(d)Mises应力分布白勺等值线云图 图5应力等值线分布云图 2、丫方向白勺应力分布云图 如图5b所示为机座在丫方向白勺应力等值线分布云图,其中最大白勺方向应力位于电机安装板与通风孔口白勺连接处,其值为: 二厂0.282108Pa,大多数位置白勺应力位于-2.64107〜0.506107Pa之间. 3、Z方向白勺应力分布云图 如图5c所示为机座在z方向白勺应力等值线分布云图,其中最大拉应力和压应力均位于电机安装板上,其最大拉应力白勺值为: 二厂0.104109Pa; 最大压应力白勺值为: 二z=-0.104109Pa.其它大多数位置白勺应力值均介于-0.115108〜0.117108Pa之间. 4、Mises应力强度分布云图 如图5d所示为机座白勺Mises应力等值线分布云图,其中最大应力位于电机安装板上,其值为: 九=0.135109Pa.从图11可以看到,内筒体上白勺应力值要大于外筒体上白勺应力值. 5、第一主应力分布云图 如图6a显示了机座上第一主应力白勺等值线分布云图,其中第一主应力 白勺最大值发生在电机安装板上,其值为: 1=0.154109Pa,在电机安装 板与内筒体相连接白勺位置,其应力也相对较大,而外筒体上白勺第一主应 力值要小,其值在-0.560107〜0.480107Pa之间. 6、第二主应力分布云图 如图6b所示为机座第二主应力分布白勺云图,其最大白勺拉应力和压应 力都位于电机安装板上,最大拉应力白勺值为: r=0.850108Pa,最大压 应力白勺值为: 匕=-0.848108Pa,其它位置白勺应力值大多数介于-0.178I07〜0.200X07Pa之间. 7、第三主应力分布云图 如图6c所示为机座上第三主应力白勺等值线分布云图,最大应力值为压应力,其值为: 二3—0.156109Pa,其它大多数位置白勺应力值介于-0.164108〜0.109107Pa之间. TEME-1 STEE'=1 BUB=1 NC£iALStXUTION I S2fAVG) DMX=,00Z193 SUN—.B48E+0B呂刚=用吟口口 r -・1创百+购--ssee+qt-.naE+flilsite+o? ■白5dE+nei -■・S55E+07.20UE+07・954E+07 TheAnalyszsof£famebysh&Uelement ANS\S ftaae15 (a) 机座第一主应力分布云图 (b)机座第二主应力白勺分布云图 5UB STEP-1 NQDAL5QXUTION TIHE=1 S3{AVG> DMK=-0021935MW=--156E+09s3MK-.109E+07 -.156E+03-,121E+09-.862Z+0B-..5L3E-H19-..164E-HI9 L35IE+0&-b^07E+OB-,330E+0Hp1D? E+0'? TheAnalysisofframebyshellelemen匸 (c)机座第三主应力白勺分布云图 图6机座上白勺主应力分布云图 (a) (b) 图7机座上路径白勺设置情况 1.4.3沿指定路径白勺应力和位移分布 为了更好地查看结构上各部分白勺应力分布,了解零件剖面上白勺受载情况,如图7所示显示了机座结构上白勺路径设置,它们分别是: 1沿电机安装板白勺中心轴线方向即A1—A2路径; 2电机安装板白勺横剖面即图中B1—B2路径; 3沿电机支撑板白勺横向剖面即图中白勺D1—D2路径; 4沿内筒体中剖面白勺路径即G—G2路径; 5沿下通风孔白勺横剖面路径即F1—F2路径; 6沿下通风孔白勺路径即E1—E2. 沿路径白勺应力和变形结果如下图所示. (a)应力分布(b)位移分布 图8沿路径A1—A2白勺应力和位移分布 onin7K91 (a)应力分布 (b) 位移分布 图9沿路径B1—B2白勺应力和位移分布 [jiJLAJ9 UN..Ml, tHEJ.lNM 2111.! DD. 14»"atb y3TE -P5a„iip -J.£Cf・««■ 亠丄丄k-a'r 7 O / 、 7\ \ / UZ 、 / USU 、 -j \ J f U X / A r% 7 UY. > 2-42^£-044 X-E£« £.104-rt«S-.5711.心P1-<47 1.0QE±..40«0>.00£4.ODA5.001 ♦Ml1■勵工5.30? (a)应力分布 图10 (b)位移分布 沿路径D1-D2白勺应力和位移分布 讹*i・H4 汕f [・irtri-is LQ4? 1.bis ZL7 •1 三 、 A / E / USH [mF / \ U it / \ > — £.041 1.ET5. X.£fB, S4b .«E. .Bl) .BTl. 丄„DJ? . (a)应力分布 (b) 位移分布 图11沿路径E1-E2白勺应力和位移分布 注: 图中纵坐标分别表示应力或位移,其单位为: 应力为 Pa;位移为m.横 .: _E- 二-001 计n L^il. fl-- Ml. ■皿. -flfri. (a)应力分布(b) 位移分布 图12沿路径F1—F2白勺应力和位移分布 图13沿路径G1-G2白勺应力和位移分布 坐标表示沿路径白勺距离.图中各符号白勺意义说明如下: SX 表示X方向白勺应力; SY -表示丫方向白勺应力; SZ 表示Z方向白勺应力; SEQV 表示为Mises应力. UX 表示X方向白勺位移; UY 表示丫方向白勺位移; UZ 表示Z方向白勺位移; USUM 表示为总位移. 1.4.5分析结果评判 从“1.2材料白勺性能中”中已知,材料Q235A白勺性能为: 屈服极限: J二235Mpa对于钢板厚度为: -16mm(第3-12页) -s二225Mpa对于钢板厚度为: 16-40mm 1.强度条件 从图5d可以看到,最大白勺当量应力Mises应力值为二135MPa,且位于电机安装板上,由于电机安装板白勺厚度为20mm,因此取材料白勺屈服极限为二s=225Mpa. 另外若不考虑应力集中,则从图5d和图9a中可以看到此时白勺最大当量Mises应力值约为: 二eq=59Mpa,则机座结构白勺应力集中系数为: K_°eq,Max_135_£3 机座结构白勺安全系数为: n—=竺=3.82 159 即机座结构安全. 3.刚度评判 从图4d和图13b中可以看到,机座结构在重力载荷下产生白勺最大位移为: U=0.002193m=2.19mm,能够满足刚度要求. 1.5机座优化 从机座结构白勺初期分析看,在不考虑应力集中白勺影响时,其安全系数白勺裕量是很大白勺,这对于一个仅承受重力载荷,没有动载荷白勺结构件来说,其裕量是充足白勺,并且在前期白勺分析图中,也可以看到,无论是变形还是应力分布,都是机座结构中白勺内筒体部分所承受白勺载荷和变形都要大于外筒体部分,因此很有必要对机座结构进行优化分析. 1.5.1优化参数白勺确定 可以从图4至图13中看出,无论是结构白勺变形还是应力白勺分布,内 筒体上白勺值都要大于外筒体上白勺值.这说明机座结构上白勺最大变形和受力主要由内筒体承担,而外筒体仅就重力载荷而言,其所受白勺载荷是较小白勺,因此在确定优化参数时,主要从外筒体考虑.而对于内筒体,从前期白勺有限元分析可知,在考虑应力集中影响时,则不满足强度要求.主要原因是,在分析中已假设叶轮是完全平衡白勺包括静平衡和动平衡都是平衡白勺,因此在优化时将不考虑内筒体结构尺寸变化,即内筒体结构白勺尺寸保持不变. 另外从前期分析也可以看到,内筒体上结构白勺布置也比较合理,在初步白勺预分析计算中,也没有出现非常不好白勺结构布置,因此对于结构布置将不进行优化. 因此从上述白勺分析中,仅将考虑外筒体上结构白勺尺寸作为优化参数来完成结构白勺优化. 1.5.2优化模型白勺建立 如图14所示为机座结构白勺外观图,图上显示了将要进行优化白勺零部件结构白勺名称. 由于优化白勺目标是在给定白勺强度和刚度条件下,使机座结构白勺重 量达到最小•在不改变机座结构情况下,可建立如下白勺优化数学模型为: ”MinW(X) X=RX2…Xn】 ▽max fmax乞f1 式中: X为设计变量,主要为外筒体结构零件白勺厚度;! 「1为许用应力,f1为许用刚度条件. 图14机座白勺几何结构示意图 在对机座结构进行多次预分析计算并通过比较后,确定外筒体上各零件白勺厚度为: 1外筒体及加强圈白勺厚度由8mn改为6mm; 2外筒体上法兰白勺厚度由18mn改为14mm 3法兰侧白勺纵向加强板
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