基于ANSYS的空分轴系及其零部件有限元模型研究

韩彦龙，孙晨曦，王二利

(承德石油高等专科学校机械工程系，河北 承德 067000)

ANSYS作为大型通用有限元分析软件，已在工程中被广泛运用［1］。但其建模功能不够强大，对于结构较复杂的模型，建模过程十分繁琐［2］，空分轴系在ANSYS中建模需要耗费大量时间与精力［3-5］。本文运用Pro/E强大的参数化设计功能进行实体建模并装配，建立Pro/E与ANSYS的无裂缝图形接口联接，提高轴系建模效率的同时，保障了轴系有限元模型的精确性。

1 Pro/E建立轴系三维模型

本文以机型为DMCL1204+2MCL1203+齿式增压机的大型空分机组轴系为研究对象，其中机组低压缸、中压缸、汽轮机、齿式增压机由三个膜片联轴器依次联接，结构布置如图1所示。

运用Pro/E分别建立轴系各轴段三维模型。其中，汽轮机轴为轴对称结构，其结构十分复杂。在软件CAXA中建立其二维图形，运用CAXA软件裁剪等功能，将汽轮机轴沿着中心线裁剪，建立汽轮机轴一半、封闭、无重复线段的二维图，并保存成*.dwg格式的共享文件，如图2所示。

共享文件在Pro/E中可以直接导入，作为三维建模旋转命令时的草绘文件。可以通过修改共享文件实现对模型的修正，避免了模型修正时重复草绘的大量琐碎工作，汽轮机轴Pro/E模型如图3所示。

运用这种方法，将各轴段及联轴器模型在Pro/E中装配，建立轴系三维模型如图4所示。

2 Pro/E模型导入ANSYS

通常可以通过3种方法实现Pro/E模型导入ANSYS:将Pro/E模型保存成.IGES格式文件后导入ANSYS;将Pro/E模型保存成.ANS格式文件后导入ANSYS;建立Pro/E与ANSYS的无裂缝图形接口联接，通过这种方法能够实现两种软件的无裂缝联接，模型不会有损失。本文采用这种方法将Pro/E装配模型导入ANSYS软件，其基本操作过程如下:

1)选择CAD Configuration Manager，然后再在对话框中选择CAD Selection选项，选中Workbench and ANSYS Geometry Interfaces和 Pro/E，单击 Next;

2)在Pro/E选项卡输入Pro/E的启动目录和安装目录，单击Next;

3)在CAD Configuration选项卡中单击Disply Congiguration Log File，单击Configure Selected CAD Interface完成。

运用这种方法时需要满足，电脑同一系统下同时安装有Pro/E和ANSYS两个软件，并且Pro/E的版本不得高于同期的ANSYS版本。本文实现了Pro/E5.0与ANSYS12.1的联接。联接成功以后会在Pro/E菜单中多出一项“ANSYS12.1”，如图5所示。

完成Pro/E模型建立后直接单击“ANSYS12.1”菜单下的“ANSYS Geom”命令，可以将模型直接导入ANSYS中，导入ANSYS后的轴系模型如图6所示。

Pro/E建立的装配模型导入ANSYS时需要注意以下问题:

1)用镜像命令建立的Pro/E模型导入ANSYS时模型会发生损失，故Pro/E建模必须避免用镜像命令;

2)Pro/E和ANSYS单位须统一，本文两软件中均采用国际单位制m-kg-s;

3)ANSYS会将装配模型中各零件视为独立的模型，装配模型导入ANSYS后须进行Boolean运算，本文所研究的装配模型导入ANSYS后需进行glue运算。

3 模型网格划分

空分轴系主轴材料为50Mn合金钢，轴系总长23 m，总重约53.95 t，弹性模量设置为2.06×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7 900 kg/m3。选用solid273单元对模型1/4正截面进行网格划分。solid273可以发生3D变形，通过设置对称截面，建立对称节点来显示整体变形效果。这样可以减少有限元模型网格数目，从而减少有限元分析的运算量和计时，轴系模型1/4截面网格效果如图7所示。

4 有限元模型中零部件的处理

1)叶轮

轴系上装配有8个叶轮，建立有限元模型时，用集中质量单元mass21模拟叶轮，并将各质量单元与其相应的轴系位置节点进行全自由度的耦合。

2)滑动轴承

轴系采用8个滑动轴承支撑，每1个轴承用1个弹簧单元COMBIN214进行模拟，弹簧单元的各参数对照轴承参数进行设置。3)联轴器在联轴器与轴配合的地方，简化为一实心轴，如图8所示，其中黑点表示节点，1—2和5—6节点间为轴与联轴器配合部分，2—3和4—5节点间分别为左右法兰，3—4节点间为联轴器中间的空心轴［6］。

最终建立轴系含零部件有限元模型，如图9所示。

5 结论

1)Pro/E建立三维模型时可以导入.dwg格式的共享文件作为草绘文件，从而提高建模效率，避免模型修改时重复建模的繁琐过程;2)建立Pro/E与ANSYS软件的图形无裂缝联接，将Pro/E模型导入ANSYS，保障了有限元模型的精确建立，能够有效弥补ANSYS建模功能的不足;3)建立有限元模型时，可用solid273单元可对轴对称模型1/4正截面进行网格划分，通过设置对称截面，建立对称节点来显示整体变形效果;叶轮可用质量单元mass21模拟;滑动轴承可用弹簧单元COMBIN214进行模拟;膜片联轴器可简化为一段多节点空心轴。

［1］丁毓峰等.ANSYS12有限元分析完全手册［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［2］徐素影.ANSYS与Pro/E接口技术研究［J］.一重技术，2007，(4):99－101.

［3］王凤丽，宋继良，谭光宇，等.在ANSYS中建立复杂有限元模型［J］.哈尔滨理工大学学报，2003，8(3):22－24，28.

［4］李波.ANSYS 结构建模技巧［J］.山西建筑，2007，33(5):76.

［5］刘德仿，李丽英，周临震，等.基于ANSYS的建模及分析方法研究［J］.制造业自动化，2011，33(19):140－142，149.

［6］马辉，戴继双，孟磊，等.大型离心压缩机转子系统不平衡响应分析［J］.中国工程机械学报，2010，8(2):127－131.