基于Ansys的球磨機(jī)干燥設(shè)備有限元熱力耦合分析

王海洋，姚芳萍

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，錦州 121001）

0 引言

球磨機(jī)是物料被破碎之后再進(jìn)行粉碎的關(guān)鍵設(shè)備。它被廣泛應(yīng)用于水泥、硅酸鹽制品、新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑與有色金屬選礦以及玻璃陶瓷等生產(chǎn)行業(yè)，對(duì)各種礦石和其他可磨性物料進(jìn)行干式或濕式粉磨。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，球磨機(jī)仍將是該行業(yè)的主要設(shè)備，其相關(guān)研究已經(jīng)受到了高度重視，并取得了豐碩成果。而物料經(jīng)球磨機(jī)粉磨后必須進(jìn)行干燥，因此，對(duì)球磨機(jī)后續(xù)干燥設(shè)備的研究也非常必要。

如果需要對(duì)選礦設(shè)備進(jìn)行技術(shù)革新，升級(jí)設(shè)備自動(dòng)化水平，有時(shí)需對(duì)其中的球磨機(jī)后續(xù)干燥設(shè)備進(jìn)行改造，以圖1中所示梁為例，為了保證設(shè)備安全可靠，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元熱力耦合分析。

1 軟件介紹

Ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析與一體的大型通用有限元分析軟件。它能與大多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer、Nastran、A logor、I—DEAS、AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。所以選擇Ansys軟件作為對(duì)干燥設(shè)備中梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元熱力耦合分析的工具。

2 方案分析

如圖1所示：干燥設(shè)備中被窯頭罩子包圍的梁受到1500度高溫氣體影響，在罩子兩側(cè)的梁被托輥支撐，在罩子之外的梁與室溫空氣直接接觸，梁的內(nèi)部流動(dòng)冷卻水（假設(shè)流入水溫為22度，流出水溫為80度），梁的中部受到重物施壓。在此情況下通過有限元分析觀察梁的變形，從而確定其合理的尺寸和結(jié)構(gòu)。

對(duì)梁進(jìn)行有限元分析時(shí)需作如下假設(shè)：

1) 單根梁的承重與梁成線接觸；

2) 梁上介于高溫氣體和室溫空氣之間的部分所受的氣體溫度為500度，對(duì)流換熱系數(shù)為25W/m2●℃；

3) 在熱分析過程中，溫度載荷是以熱對(duì)流形式設(shè)置。

圖1 梁及其裝置結(jié)構(gòu)圖

3 有限元分析

在Ansys中，首先對(duì)梁進(jìn)行有限元建模并劃分單元格。在有限元分析中獲得四面體單元3440個(gè)，22281個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。然后設(shè)置溫度載荷，在熱分析過程中，溫度載荷是以熱對(duì)流形式設(shè)置（如圖3所示），具體如下：

4）D面—即與冷卻水接觸的管道內(nèi)壁，設(shè)置為環(huán)境初始溫度22，最終溫度為80，熱對(duì)流系數(shù)為1200W/m2●。

受力和約束情況如圖4所示，具體如下：

A—管道自身重力；

B—在B處施加約束，限制該位置的管道向下移動(dòng)，但不限制其他兩方向移動(dòng)；

C—受到重物施加的壓力。

圖2 有限元網(wǎng)格模型

圖3 溫度載荷設(shè)置情況

圖4 約束和載荷設(shè)置情況

圖5 靜力學(xué)分析（壓力為10噸）——應(yīng)力分析

圖6 靜力學(xué)分析（壓力為10噸）——應(yīng)變分析

圖7 靜力學(xué)分析（壓力為 10噸）——位移和變形

圖8 熱結(jié)構(gòu)分析——溫度分布

圖9 熱結(jié)構(gòu)分析（壓力為10噸）——應(yīng)力

表1 碳素鋼和低合金鋼鋼板許用應(yīng)力

表2 梁中部受熱受力變形情況

圖10 熱結(jié)構(gòu)分析（壓力為10噸）——應(yīng)變

圖11 熱結(jié)構(gòu)分析（壓力為 10噸）——位移變形

分別對(duì)梁在受10噸、30噸和50噸壓力時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和變形進(jìn)行了分析，并在熱力耦合狀態(tài)下分析了梁的應(yīng)變、位移和變形。圖5～7所示為當(dāng)梁所受壓力為10噸時(shí)，其應(yīng)力、應(yīng)變、位移和變形的云圖；圖8所示為對(duì)梁進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)分析時(shí)其溫度分布的情況；圖9～11所示為梁壓力為10噸時(shí)，在熱力耦合狀態(tài)下其應(yīng)力、應(yīng)變、位移和變形的云圖（壓力為30噸和50噸時(shí)的分析結(jié)果略）。表2所示為梁在純粹壓力和熱力耦合狀態(tài)下基于Ansys軟件對(duì)其進(jìn)行分析得出的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和變形的最大值及許用值。

梁的材料為20號(hào)鍋爐鋼，轉(zhuǎn)成現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)是Q245R，所以根據(jù)表1中 Q245R的許用應(yīng)力表比較表2中的等效應(yīng)力可知，隨著溫度的增大，最大等效應(yīng)力增大，而Q245R的許用應(yīng)力降低。只有當(dāng)靜力作用等于10噸時(shí)，梁的最大等效應(yīng)力是小于許用應(yīng)力的，符合實(shí)際使用要求。

要使梁在大于10噸壓力的狀態(tài)下工作，則必須對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，從而增加其強(qiáng)度，符合使用要求。

4 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛快發(fā)展，機(jī)械裝備有限元熱力耦合得到了前所未有的提高和應(yīng)用。本文基于ANSYS軟件對(duì)球磨機(jī)干燥設(shè)備設(shè)計(jì)中改進(jìn)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)演算，通過施加與實(shí)際工況相近的邊界條件，獲得了較精確的數(shù)據(jù)，為該關(guān)鍵梁結(jié)構(gòu)的開發(fā)研制奠定了基礎(chǔ)。

[1] 曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2004.

[2] 孫宗猛,周家勇,劉訓(xùn)志.某鍋爐管屏的人力耦合有限元分析[J].技術(shù)與市場(chǎng),2010,11.

[3] 曹淑敏,陳其偉,朱國(guó)輝,完衛(wèi)國(guó).20MnSi鋼筋熱連軋溫度場(chǎng)的熱力耦合分析[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,04期.