一种反渗透、纳滤主机机架应力分析

赵文峰，苏玉军，寇晓峰

（甘肃省膜科学技术研究院，甘肃 兰州 730000）

1 概述

1.1 引言

现当今社会，我国许多企业都是依靠制造业为主体进行发展，我国各个企业之间经济发展方面存在着激烈的竞争，说到底就是在竞争制造技术。在国家企业生产力中制造技术占比可以达到一半之多。发达国家之所以发展迅速就是因为他们的制造业发达和对制造产品分析透彻。现代的各种产品材质例如：PVC、UPVC、PE、不锈钢、碳钢、铝合金以及专用材质等。先进制造科学与电子信息科学、材料工程学、生物科学等一系列先进学科的发展，促使当今社会机械制造业向着柔性化、敏捷性、集成化、智能化与信息化等方向快速发展。（1）柔性化；（2）敏捷性；（3）集成化；（4）智能化；（5）信息化。

1.2 背景

先分析后生产是当今社会生产必不可少的设备，也是一个国家制造业水平高低的一项指标。近年来，由于互联网产业的飞速发展，使得模拟试验和分析技术不断先进，为解决制造业出现的共振，动态性能的研究分析对实现主机机架防止共振、机架产品高精密以及高效率是非常有意义的，这对提高产品质量以及避免浪费起着很大作用。

2 主机机架的三维建模

目前市面上有很多功能强大的、用户数量多的三维建模软件，如Solidworks、PRO/E、UG等。本课题中的三维建模利用Solidworks软件进行。Solidworks软件是著名的达索系统下的子公司Solidworks开发的一款三维设计软件；Solidworks软件主要特点有：（1）Solidworks软件是首款基于Windows操作系统下的CAD软件，所以该软件与Windows系统全兼容；（2）菜单较少，使用直观、简单：Solidworks软件具有60几个命令，相对较少；（3）Solidworks数据转换接口较多，转换成功率高；（4）Solidworks独特的配置功能；（5）Solidworks特征管理器；（6）Solidworks自上而下的装配体设计技术；（7）比例缩放技术；（8）曲面设计工具；（9）支持工作组协同工作；（10）Solidworks合作伙伴计划和集成软件。本次所研究的主机机架的应力分析，采用空心方刚制作，底座尺寸为60mmx60mmx3mm，其他部分尺寸均为40mmx40mmx2.5mm，利用Solidworks软件进行建模设计，模型如图1所示。

图1 模型图

3 应力性能分析

本次应力分析的是反渗透、纳滤主机机架的分析，由于作业环境的恶劣程度不同，例如运输高度、共振频率、酸碱Ph腐蚀、气蚀、交变载荷、疲劳强度等。以上这些因素等等都会对反渗透、纳滤主机机架造成一定程度的损害，但又是无法避免的和不可逆的，因此对反渗透、纳滤主机机架进行如下的应力受力分析是非常有必要的，对优化设备具有深远意义：

3.1 静应力分析

主机机架是主机的一个重要组成部分，所有的都要安装到上面，用来承受强大的作用力，因此它的可靠程度对整个主机的影响比较大，长远考虑将直接影响整个设备的运行和无数同胞的饮水问题，因此对主机机架进行静应力分析是很有必要的，主要分析如下：

主机机架与上一级链接部分是通过焊接而成的7个支点进行力的传递，利用SolidWorks自带的分析软件Simulation进行静力学分析，主要过程是将7个支点固定，对工作面进行施加载荷进行分析，夹紧部分和载荷分布情况如图2所示。

图2 夹紧部分和载荷受力图

网格化如图3所示：

图3 网格划分图

此分析过程对主机机架的计算量相当庞大，借助Simulation软件的运算对此案例功能进行，Simulation对主机机架的分析工作完成后的结果如下图4、图5所示：

图4 静应力vonMises分析图

图5 静应力合位移分析图

设备运行时重量处于3t左右，给工作部分施加30000N的力时，力学分析图如上图，变形比例为205.265；此时的屈服力为2.827e+08N/m^2;由图可以看出，整个零件为蓝色状态，少部分处于危险状态（经查阅资料得出分析右侧彩色条中，红色部分为极限载荷区，蓝色部分为安全区域），处于受力屈服一半偏上较少，偏下的较多，因此主机机架处于较安全状态，检查主机机架的变形情况，变形量比较小，载荷作用于主机机架后受力最大和最小位置如图所示：最大9.489e+08m^2、最小7.141e+05m^2。

3.2 热应力分析

主机机架是主机的一个重要组成部分，所有的都要安装到上面，用来承受强大的作用力，因此它的可靠程度对整个主机的影响比较大，在工作时由于在交变载荷和振动的作用下会产生温度差，因此安排如下热应力分析，热应力分析时所用软件为SolidWorks自带的分析软件Simulation，受热面为工作面，此分析过程对主机机架的计算量相当庞大，借助Simulation软件的运算此案例功能进行，Simulation对主机机架的分析工作完成后的计算结果如图6所示：

图6 热应力分析图

当给工作面施加10度的温度时，热应力分析图如上图，变形比例为0，时间步长为1；此时无任何屈服力;由分析结果图可以看出，整个零件始终处于安全状态，综上所述当主机机架的温度变化小于等于15度时主机机架不会出现因热应力造成破坏。

3.3 非线性应力分析

主机机架是主机的一个重要组成部分，所有的都要安装到上面，用来承受强大的作用力，因此它的可靠程度对整个主机的影响比较大，在工作时由于工作环境的微小变化，例如高压泵电压的不稳定、供水不足空转、膜堵塞等等；所受的载荷往往是不稳定的，常常表现为时而稳定时而不稳定的现象，把这种形式的现象出现称为交变载荷，为此对主机机架安排如下的非线性力分析，非线性力分析时所用软件为SolidWorks自带的分析软件Simulation，载荷施加主要过程是将7个支点固定，对工作面进行施加载荷进行分析，此分析过程对主机机架的计算量相当庞大，借助Simulation软件的运算对此案例功能进行，Simulation对主机机架的分析工作完成后的结果如图7、图8所示：

图7 非线性应力分析图

图8 非线性位移分析图

当给工作部分施加30000N的力时，非线性力分析图如上图，变形比例为1；此时的屈服力为2.827e+08N/m^2;由图可以看出，整个零件为蓝色状态，少部分成红色（经查阅资料得出分析右侧彩色条中，红色部分为极限载荷区，蓝色部分为安全区域），处于受力屈服的一半偏上，因此，主机机架输于较安全状态，综上所述反渗透、纳滤主机机架在非线性力状态下不会出现因非线性力造成破坏。

4 结论与展望

随着社会一天天的不断发展，制造业水平越来越发达，市场的竞争越来越激烈，对工业产品的要求越来越高，特别是在应力学要求和有限元网格化分析方面，即对设计工艺师的设计要求越来越高，又对装配师的装配技能要求越来越高，特别是因为计算机技术的应用越来越广泛，特别是虚拟制造和分析仿真方面越来越多，利用Simulation分析方法可以使得设计人员在设计时知道危险位置及造成的后果，设计者对自己所设计的产品性能有所了解，不再是原始的设计，制作一个样本来解读产品，通过这次反渗透、纳滤主机机架的应力分析，弥补了实践经验法的不足，基于虚拟制造和分析是一个范围特别广的领域，那么还有很多方面的问题有待更研究，今后将更进一步的深入研究。