基于ANSYS的廢水一體化處理設(shè)備的有限元分析

蔡蘇寧, 董繼先, 蔡鎖寧

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；3.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008)

0 引 言

隨著工業(yè)化得飛速發(fā)展，環(huán)境污染已經(jīng)成為擺在人類面前的一個(gè)重大問題，而水資源作為人類生存和生活中不可缺少的物質(zhì)和原料也日益緊缺.因此，設(shè)計(jì)出一種廢水一體化處理設(shè)備對(duì)部分廢水進(jìn)行深度處理，回用部分水資源，就顯得尤為重要.為了使廢水一體化處理設(shè)備的機(jī)構(gòu)更為合理，本文采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)該設(shè)備中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析.

1 ANSYS簡介

ANSYS是一套功能非常強(qiáng)大的有限元分析軟件，它能進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析、流體分析以及多物理場的耦合分析.下面簡單介紹一下ANSYS結(jié)構(gòu)分析的功能模塊[1].

結(jié)構(gòu)分析用于確定結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)變、應(yīng)力及反作用力等.ANSYS結(jié)構(gòu)分析主要包括以下幾個(gè)功能模塊：

(1)靜力分析.用于靜態(tài)載荷，可以考慮結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為，例如應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈及蛹變等.

(2)模態(tài)分析.計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的自振領(lǐng)串及振型.

(3)譜分析.是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算由于隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變.

(4)諧響應(yīng)分析.確定線性結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng).

(5)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析.確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間任意變化的載荷的響應(yīng)，可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性行為.

(6)特征屈曲分析.用于計(jì)算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀(結(jié)合瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可以實(shí)現(xiàn)非線性屈曲分析).

此外，ANSYS除了提供標(biāo)準(zhǔn)的隱式動(dòng)力學(xué)分析以外，還提供了顯式動(dòng)力學(xué)分析模塊ANSYS/LS-DYNA.主要用于模擬非常大的變形，慣性力占支配地位，并考慮所有的非線性的行為.它采用顯式方程求解沖擊、碰撞、快速成形等問題，是目前求解這類問題最有效的方法.

2 ANSYS有限元分析步驟

利用ANSYS進(jìn)行有限元分析主要有3個(gè)步驟：(1)創(chuàng)建有限模型(前處理)包括創(chuàng)建或讀入幾何模型、定義材料屬性和劃分單元3個(gè)過程.(2)施加載荷進(jìn)行求解(分析求解)包括施加載荷及載荷選項(xiàng)和求解兩個(gè)過程.(3)查看結(jié)果(后處理)包括查看分析結(jié)果和檢驗(yàn)結(jié)果(分析是否正確)兩個(gè)過程.以上3個(gè)步驟體現(xiàn)在ANSYS軟件的主菜單上，如圖1所示.

圖1 ANSYS主菜單 圖2 模型

3 ANSYS有限元分析詳解

以廢水一體化處理設(shè)備中的沉淀池過水壁、攪拌軸為例，詳細(xì)進(jìn)行有限元分析，以求獲得較優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果.

3.1 模型的確定

廢水一體化處理設(shè)備中的過水壁作為沉淀池的一部分具有很重要的作用.過水壁上帶有過水孔，因此，對(duì)其進(jìn)行有限元分析以確保設(shè)計(jì)的合理性，具有一定的價(jià)值.

由于過水壁受到橫向(垂直與板面)載荷的作用，這是薄板的彎曲問題；又由于薄板板面兩個(gè)尺寸(長、寬)遠(yuǎn)大于厚度，可以作為小撓度薄板彎曲問題.

3.2 模型的理論解

過水壁可以看作：對(duì)邊簡支，另外兩邊任何形式的固定，可以采用單三角級(jí)數(shù)求解撓度[2].

因此，過水壁等效為：對(duì)邊簡支，一邊固定，一邊自由，受靜水壓力作用，q=ρgx，如圖2所示.

解答如下：應(yīng)用萊維法的單三角級(jí)數(shù)求解，將q=ρgx代入得：

方程特解可以取為：

從而得到Y(jié)m和撓度ω的表達(dá)式.由于結(jié)構(gòu)及載荷對(duì)稱于x軸，ω應(yīng)為y的偶函數(shù)，由此，可得ω的表達(dá)式為：

Amcosham+Bm(2cosham+amsinham)=0

撓度解答為：

3.3 模型的有限元分析

由于對(duì)模型進(jìn)行理論求解時(shí)需要大量的計(jì)算過程，處理效率比較低,因此，采用有限元分析軟件對(duì)模型進(jìn)行分析并借助計(jì)算機(jī)將復(fù)雜的計(jì)算過程簡化，從而提高計(jì)算效率和計(jì)算準(zhǔn)確率.本文采用國內(nèi)外流行的ANSYS軟件對(duì)廢水一體化處理設(shè)備部分關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析.下面以過水壁為例進(jìn)行有限元分析.

(1) ANSYS建模及網(wǎng)格化.由于模型相對(duì)簡單，采用直接在ANSYS中建模的方法.如果結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般采用Pro/E或者UG等三維造型軟件進(jìn)行建模.

采用的方法是先建立薄板平面圖，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格化，而后利用ANSYS Main Menu:Preprocessor-Modeling-Operate-Extrude對(duì)平面進(jìn)行拉伸得到所需的模型,所建模型如圖3所示.

圖3 ANSYS模型 圖4 載荷函數(shù)設(shè)置

(2) ANSYS模型約束及加載.在ANSYS中必須對(duì)模型進(jìn)行約束和加載,約束的數(shù)目要適當(dāng)，過多的約束會(huì)使結(jié)果不正確，過少的約束將使分析無法進(jìn)行下去.

在約束的時(shí)候根據(jù)所假設(shè)的模型，對(duì)過水壁左右兩側(cè)進(jìn)行簡支，下方進(jìn)行固定，然后進(jìn)行分析.

在施加載荷時(shí)，考慮到載荷q=ρgx，為x的函數(shù)，隨x變化,所以在加載時(shí)采用ANSYS Main Menu:Preprocessor-Solution-Define loads-Apply-Functions設(shè)置所需的載荷.如圖4所示，然后在加載時(shí)調(diào)用此函數(shù)即可.

(3) ANSYS模型求解.完成ANSYS前置處理的各部分設(shè)置后，可以進(jìn)行有限元求解.利用ANSYS Main Menu:Preprocessor-Solution-Solve-Current LS對(duì)所建立的模型進(jìn)行求解.利用ANSYS Main Menu:Preprocessor-General Postproc-Plot result查看結(jié)果,結(jié)果如圖5～圖8所示.

圖5 合位移等值線圖(1) 圖6 合位移等值線圖(2)

圖7 等效應(yīng)力場等值線圖(1) 圖8 等效應(yīng)力場等值線圖(2)

4 結(jié)論

通過對(duì)廢水一體化處理設(shè)備中的沉淀池的過水墻進(jìn)行分析，得出了簡化的力學(xué)模型.利用ANSYS有限元軟件對(duì)簡化模型進(jìn)行了有限元分析，初步得出了位移等值圖和應(yīng)力場等值線圖.從圖中可以得出以下結(jié)論：

(1)簡化模型屬于薄板彎曲彈性力學(xué)問題，體現(xiàn)在圖中即為位移分布量.從圖中可以得出，位移量在固定邊或者簡支邊最小，在自由邊中部最大，在重點(diǎn)考察對(duì)象方孔處位移量在數(shù)值上屬于中等，理論上可以滿足要求.

(2)從應(yīng)力分布圖可以看出，應(yīng)力最大處為簡支邊上部，為危險(xiǎn)部位，由ANSYS分析可知，最大應(yīng)力處為740 MP，超過了一般工程用碳鋼的最大抗拉強(qiáng)度640 MP.這是由于簡化模型對(duì)固定兩邊的處理不恰當(dāng)，導(dǎo)致了應(yīng)力在此處具有較大值.實(shí)際模型中，此過水墻作為沉淀池的一個(gè)壁，三個(gè)固定邊以焊接方式連接，方孔周圍應(yīng)力分布變化平緩，分析數(shù)值僅為82 MP，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工程用碳鋼的強(qiáng)度要求，理論上滿足要求.

參考文獻(xiàn)

[1] 寧新汝，趙汝嘉．CAD/CAM技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006．

[2] 徐芝倫．彈性力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2004．