传动接管的有限元分析

王国民 陶瑛 张海平

中材建设有限公司（100176）

传动接管的有限元分析

王国民 陶瑛 张海平

中材建设有限公司（100176）

在管磨机运行中，传动接管承受弯曲、剪切、扭转等多种载荷，为了使其在使用中长期安全可靠，有必要对传动接管进行有限元分析。通过有限元软件ANSYS对传动接管采用不同单元进行了有限元应力分析，为传动接管的设计及长期安全可靠运转提供了一定的理论依据。

ANSYS；管磨机；传动接管；有限元

0 前言

在建材工业中，管磨机的传动接管是连接膜片联轴器、磨机中空轴或出料端滑履轴承腹板，起着传递动力的作用，是一个重要零件，若损坏将引起事故和停产；在使用中要求长期连续运转而不进行更换，同时还有一定的磨损，所以在设计时应作为不更换零件来考虑[1]。在磨机运行中，传动接管承受弯曲、剪切、扭转等多种载荷，为了使其在使用中长期安全可靠，有必要对传动接管进行有限元分析。这里通过有限元软件ANSYS对传动接管采用不同单元进行了有限元应力分析，比较了其结果，为传动接管的设计及长期安全可靠运转提供了一定的理论依据。

1 模型及计算结果

在构建薄壁结构的有限元模型时通常选用壳单元。ANSYS提供的SHELL43、SHELL63、SHELL93以及SHELL143和SHELL181单元都能很方便地用于薄壁结构的建模，并能得到精确的结果，同时避免了采用实体单元构建此类结构所带来的复杂性和规模庞大。像SOLID45和SOLID95之类的实体单元,其厚度由节点的位置所决定,而壳单元的厚度是由实常数决定的。由于壳单元的厚度独立于几何模型，因此可以很方便地进行参数化和优化设计。此外，建立一个用于生成壳单元的面几何模型要比建一个三维实体几何模型简单得多[2]。

尽管使用壳单元有许多优点，但也有一些缺点在使用时需要加以注意：首先，壳单元只适合某几种结构类型，因为它假设弯曲应力沿壳单元厚度方向线性变化；其次，为了得到理想的结果，壳单元必须建在实体结构的中心层或中面上。

传动接管是由钢板组成的，其厚度与板面长宽中的最小尺寸的比值一般小于1/5～1/8与大于1/ 80～1/100之间的范围内，是有限元中的薄板问题。传动接管受外载荷较复杂，变形也很复杂，往往不能单纯地只考虑一种变形状态。在实际计算分析中，通常将板壁结构视为薄板弯曲问题或薄板弯曲状态与平面应力状态组合问题。板壁上化为平面应力状态和弯曲状态的组合，这样比只考虑一种变形状态更符合实际情况，这就是有限元方法中薄板的平面应力状态和弯曲状态的组合。

ANSYS为结构分析提供了百余种单元模型，在进行板结构的静结构分析时，究竟应用哪一种单元模型更为合理呢?下面将通过对传动接管结构计算实例进行单元试验，以论证结构单元的选用。

根据传动接管的结构,分别采用了壳单元SHELL63和实体单元SOLID45。图1和图2分别是采用壳单元SHELL63和实体单元SOLID45所建立的模型。

图1 传动接管的壳单元模型

图2 传动接管的实体单元模型

约束加载求解后,使用壳单元SHELL63和实体单元SOLID45所求得对应的等效应力分布图如图3和图4所示。

图3 传动接管的壳单元等效应力分布图

图4 传动接管的实体单元等效应力分布图

从图4和图5中可知：采用壳单元和实体单元所得到的等效应力分布图是一致的，最大等效应力出现的位置也是一致的，都在方孔的圆角处。

2 计算结果对比

计算结果见表1。

表1 计算结果表

通常，使用实体单元能更精确地模拟出模型细小地方的变形，但却带来了建模的复杂性且模型庞大，比较费时。使用壳单元避免了这些问题，而且也能得到比较准确的结果。

从表1的数据可知：采用壳单元和实体单元计算所得的最大变形量相差不大，两者偏差2%左右，所得的最大等效应力值，两者偏差为5%左右。再从两者的等效应力分布图看出，使用壳单元和实体单元所得的等效应力分布是一致的，不管是使用壳单元还是实体单元计算，都符合工程上的要求。

实际工程中，传动接管的最大应力值不得超过60 MPa,从采用壳单元和实体单元所得出的计算结果可知,此传动接管的设计满足工程上的技术要求。

3 结语

这里通过采用壳单元和实体单元，建立了传动接管的有限元模型，求解出了相应的结果，并对其结果进行了对比分析，得知不管是采用壳单元还是采用实体单元,结果都满足工程上的技术要求，说明采用的两种单元都可以达到工程上精度的要求，为传动接管的设计及长期安全可靠运转提供了一定的理论依据。

[1]朱昆泉,许林发.建材机械工程手册[M].武汉：武汉工业大学出版社,2000.

[2]尚晓江,邱峰,等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京：中国水利水电出版社,2006.