应用ANSYS优化设计传动滚筒

汪祝芬，吴　磊

(安庆师范学院 物理与电气工程学院， 安徽 安庆 246133)



应用ANSYS优化设计传动滚筒

汪祝芬，吴磊

(安庆师范学院 物理与电气工程学院， 安徽 安庆 246133)

摘要：将优化设计理论引入到CAD，CAE，VD技术中，既能够在产品的设计过程中不断选择设计参数并评选出最优方案，又可以加快设计速度,缩短设计周期。本文利用基于有限元法的ANSYS优化设计功能，选择传动滚筒的壁厚为设计变量，对传动滚筒的壁厚进行优化设计，使产品既满足使用要求，又能达到结构轻量化、设计效率提高的效果。

关键词：传动滚筒；参数化；优化设计；有限元法

带式输送机是现代最重要的散料输送设备之一，被广泛应用于煤炭、化工、电力、港口等行业。传动滚筒是带式输送机的主要受力和易损部件,承受载荷复杂，其设计一直是一个难点，特别是许多新型滚筒目前尚未形成通用的设计系列，一般只认为，只要滚筒体厚度大于或等于辐板厚度即可。目前，对于重型滚筒主要凭经验公式、增大安全系数的方法进行设计，结果使得滚筒质量偏大，但可靠性却没有明显提高，更无法直接确定滚筒的危险点及其应力状态[1-5]。本文运用参数化编程、有限元理论、优化设计等现代设计方法，对传动滚筒的受力情况进行分析，优化壁厚，为滚筒的合理设计提供依据。

1参数化建模

在带式输送机设计手册中，传动滚筒直径超过1 400 mm的尚未形成标准系列，设计时没有参考，需进行验证。现对某大型传动滚筒进行优化设计，该筒壳长2 000 mm，筒壳厚50 mm，滚筒直径2 000 mm，轮毂间距l 700 mm，筒壳外径轴承间距2 400 mm，轮毂外径700 mm，辐板厚45 mm，输送带松边张力763.3 kN，紧边张力l 325.7 kN，松边张力方向线与重力方向线之间夹角120°，旋转角速度3.15 rad/s，包角210°，选择滚筒材料为Q235A，许用应力[α]=235Mpa。

为了便于后面进行优化设计选择变量，本文采用自底向上的建模方式，以滚筒厚度、滚筒直径、轮毂尺寸、辐板尺寸等为参数，建立带式输送机传动滚筒的参数化模型。建模过程先建立相应结构处关键点，自点生成线，由线生成面，再到体，建立传动滚筒模型，再利用ANSYS中的MESHTOOL对建立好的滚筒模型进行网格划分[6]，滚筒模型和网格划分结果分别如图1和图2所示。

2滚筒载荷的加载

传动滚筒的载荷来源主要为(1)输送带对驱动滚筒的摩擦力；(2)输送带对滚筒表面的正压力[7]，其中，输送带对驱动滚筒的摩擦力为

(1)

滚筒表面正压力为

(2)

式中，μ—输送带与传动滚筒表面的摩擦系数，R—滚筒半径，B—输送带宽度，Sl—分离端张力，θ—围包角。

已知公式(1)和公式(2)为非线性连续张力，而ANSYS中不能直接加载这样的力，因此利用APDL语言编写函数载荷公式进行加载滚筒载荷加载[8]，加载编程部分语句如下，

*DEL,_FNCNAME‘定义公式参数

*DEL,_FNCMTID

*DEL,_FNC_C1

……

*SET,_FNCNAME,′XX′ ‘定义加载函数名

*DIM,_FNC_C1,1

……

*SET,_FNC_C1(1),S

……

SFA,P51X,1,PRES, %XX%‘加载

3滚筒约束的确定

在有限元分析中，滚筒约束的确定就是设置滚筒有限元模型的边界条件，即限制边界节点的自由度。节点的自由度取决于所选的单元类型，每个节点最多只有沿x，y，z三个方向的平动自由度和沿x，y，z三个轴方向的转动自由度。滚筒的边界条件的确定，只需要模拟滚筒轴承对滚筒的约束就可以了。在传动滚筒轴中，大多使用的是球面调心滚子轴承，滚筒轴在垂直轴方向能实现一定的转动，因此要求在柱坐标系下模拟轴承约束，然后限制轴承节点的x，y方向的平动和转动，z方向的平动。

4静力分析

利用ANSYS强大的后处理功能，采用默认的直接解法，在不考虑滚筒的实际运转状态下对传动滚筒进行静力分析。由应变云图(图3)和应力云图(图4)可知，传动滚筒中心处的位移最大，滚筒筒壳表面中部的应力也比较大，即传动滚筒在应力最大的地方变形也最大，与实际情况是相符合的[9]，说明ANSYS为了模拟滚筒的实际工作情况，施加的载荷和约束是可行的，为后面优化设计的正确性奠定了基础。

5滚筒的优化设计

应用ANSYS，采用控制变量法，选择滚筒壁厚为控制变量，在保证滚筒正常工作的前提下，对滚筒结构进行优化。根据目前通用的方法，滚筒的正常工作条件为(1)传动滚筒应保证最大位移不大于2倍直径与2 800的比值，本文上述滚筒的最大许用位移[s]=2×2 000/2 800mm=1.43mm，(2)受力最大位移小于许用应力[σ]=235Mpa。初选滚筒壁厚50mm，逐次改变壁厚进行分析，5次分析结果如表1所示。

表1　分析结果

比较5组数据可知，滚筒最大位移、最大应力的值很难同时达到最小。因此，为保证滚筒的静态特性，以滚筒最大位移为优先目标变量，选定第4组为最优序列，优化前后结果对比如表2所示。

表2　优化前后目标变量结果对比

从表2可以看出，优化后的体积减少了9.3%，优化效果明显。

6结论

通过应用ANSYS对滚筒进行参数化建模、分析，基本掌握了滚筒的受力情况，然后通过控制变量法，选择滚筒壁厚为控制变量，进行壁厚的优化设计，在满足滚筒使用要求的前提下，减小了滚筒的体积，在一定程度上节约了制造成本，基本达到了预期的效果。更重要的是，可为该系统或类似系统结构的优化，提供一种新的高效可行的方法。

参考文献:

[1] 宋伟刚.通用带式输送机设计[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2] 宁少慧.带式输送机重型传动滚筒的有限元分析[J]. 机械工程与自动化，2012(6):60-62.

[3] 程相文，刘钊，魏荣.基于 ANSYS Workbench 带式输送机传动滚筒的多目标优化设计[J]. 煤矿机械，2013(3):70-72.

[4] 刘凯,张安宁,叶国徽.基于的带式输送机传动滚筒的有限元分析[J].煤矿机械，2011(01):101-102.

[5] 李炳文，王启广.矿山机械[M].北京：中国矿业大学出版社，2007.

[6] 高耀东，刘学杰，周可璋.ANSYS机械工程应用精华30例[M].北京：电子工业出版社，2010.

[7] 谢加保，郭永存，胡坤.带式输送机大扭矩传动滚筒的优化设计及有限元分析[J].起重运输机械，2009(1)：21-23.

[8] 博弈创作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

[9] 余以道, 王建, 王克喜. 带式输送机特大型滚筒的有限元分析[J].煤炭科学技术,2009,37(5):68-70.

Optimal Design of the Driving Drum Based on ANSYS

WANG Zhu-fen, WU Lei

(Physics and Electrical Engineering Institute，Anqing Teachers College，Anqing 246133，China)

Abstract:To introduce the optimal design theory into the CAD, CAE, VD technology which were developed in recent years, it can not only select the optimal solution through constantly choosing the design parameters, but also improve the design speed and shorten the design cycle. In this paper, we apply ANSYS optimal design features based on FEM, optimize the drum thickness to be the variables, and make the products meet the requirements, while lightering the structure and improving the design efficiency.

Key words:driving drum, parameterization, optimized design, FEM

中图分类号：TH222

文献标识码：A

文章编号：1007-4260(2015)01-0040-03

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.01.011

作者简介：汪祝芬，女，安徽潜山人，硕士，安庆师范学院物理与电气工程学院教师，主要从事矿山运输机械的研究。

基金项目：安庆师范学院校青年基金(KJ201313)。

收稿日期：2014-04-03