ISSN1o08-9446承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報第16卷第3期,2014年6月CN13-1265/TEJournal of Chengde Petroleum CollegeVol 16. No. 3. Jun. 2014基于 ANSYS的空分軸系及其零部件有限元模型研究韓彥龍,孫晨曦,王二利(承德石油高等?？茖W(xué)校機械工程系,河北承德067000摘要:以某大型空氣分離機多機組軸系為研究對象,介紹了軸系在Pro/E軟件中建模過程;實現(xiàn)了Pro/E裝配模型導(dǎo)入 ANSYS軟件的無裂縫圖形聯(lián)接;研究了有限元模型網(wǎng)格劃分技巧以及有限元模型中零部件的處理方法。為復(fù)雜含零部件結(jié)構(gòu)有限元模型的快速精確建立提供了參考和依據(jù)關(guān)鍵詞:軸系;Pro/E; ANSYS;有限元模型;中圖分類號:TH122文獻標識碼:A文章編號:1008-9446(2014)03-001603Finite Element Model of Shaft System with Componentsand Parts of Air SeparationHAn Yan-long, SUN Chen-xi, WANG Er-IiDepartment of Mechanical Engineering, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)Abstract: Based on the study of a type of a large-scale air separations shaft system with componentsand parts, this thesis introduce the modeling process of the shaft system in Pro/E, put the assemblyPro/E model into ANSYS successfully without damage. Meshing technique is studied and the compo-nents are dealed with reasonably. The thesis quickly and accurately provides the reference and basishen finite element model of complex structure with components and parts is neededKey words: shaft system: Pro/E: ANSYS: finite element modelANSYS作為大型通用有限元分析軟件,已在工程中被廣泛運用。但其建模功能不夠強大,對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的模型,建模過程十分繁瑣21,空分軸系在 ANSYS中建模需要耗費大量時間與精力35)。本文運用Pro/E強大的參數(shù)化設(shè)計功能進行實體建模并裝配,建立Pro/E與 ANSYS的無裂縫圖形接口聯(lián)接,提高軸系建模效率的同時,保障了軸系有限元模型的精確性。P'ro/E建立軸系三維模型本文以機型為DMCL1204+2MCL1203+齒式增壓機的大型空分機組軸系為研究對象,其中機組低壓缸、中壓缸、汽輪機、齒式增壓機由三個膜片聯(lián)軸器依次聯(lián)接,結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。聯(lián)軸器中壓缸汽輪機壓機圖1空分機組結(jié)構(gòu)收稿日期:2013-12-1作者簡介:韓彥龍(1987-),男,河北石家莊人,承德石油高等?？茖W(xué)校機械工程系助教,碩士,主要研究轉(zhuǎn)子動力學(xué)與轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性工作。韓彥龍,等:基于 ANSYS的空分軸系及其零部件有限元模型研究17運用Pro/E分別建立軸系各軸段三維模型。其中,汽輪機軸為軸對稱結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。在軟件CAXA中建立其二維圖形,運用CAXA軟件裁剪等功能,將汽輪機軸沿著中心線裁剪,建立汽輪機軸半、封閉、無重復(fù)線段的二維圖,并保存成*,dwg格式的共享文件,如圖2所示。圖2汽輪機軸二維共享文件共享文件在Pro/E中可以直接導(dǎo)入,作為三維建模旋轉(zhuǎn)命令時的草繪文件?？梢酝ㄟ^修改共享文件實現(xiàn)對模型的修正,避免了模型修正時重復(fù)草繪的大量瑣碎工作,汽輪機軸Pro/E模型如圖3所示。圖3汽輪機軸三維模型運用這種方法,將各軸段及聯(lián)軸器模型在Pro/E中裝配,建立軸系三維模型如圖4所示。圖4軸系裝配模型2Pro/E模型導(dǎo)入 ANSYS通常可以通過3種方法實現(xiàn)Pro/E模型導(dǎo)入 ANSYS:將Po/E模型保存成IGES格式文件后導(dǎo)入ANSYS;將Pro/E模型保存成ANS格式文件后導(dǎo)人 ANSYS;建立Pro/E與 ANSYS的無裂縫圖形接口聯(lián)接,通過這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)兩種軟件的無裂縫聯(lián)接,模型不會有損失。本文采用這種方法將Pro/E裝配模型導(dǎo)入 ANSYS軟件,其基本操作過程如下:1)選擇 CAD Configuration Manager,然后再在對話框中選擇 CAD Selection選項,選中 Workbench andANSYS Geometry Interfaces和Pro/E,單擊Next;2)在Pro/E選項卡輸入Pro/E的啟動目錄和安裝目錄,單擊Next;3)在 CAD Configuration選項卡中單擊 Disply Congiguration Log File,單擊 Configure Selected CAD In-race完成。運用這種方法時需要滿足,電腦同一系統(tǒng)下同時安裝有Pro/E和 ANSYS兩個軟件,并且Pro/E的版本不得高于同期ANSYS12.1窗口(W)幫助(H的 ANSYS版本。本文實現(xiàn)了Pro/E5.0與 ANSYS12.1的聯(lián)△ Workbenchto Named Selection Manager接。聯(lián)接成功以后會在PE菜單中多出一項“ ANSYS12.1”, 2 Workbench Help如圖5所示。U About Workbench Geometry Interface完成Pro/E模型建立后直接單擊“ ANSYS12.1”菜單下ANSConConfi的“ ANSYS Geom”命令,可以將模型直接導(dǎo)人 ANSYS中,導(dǎo)ANSYSGeom入 ANSYS后的軸系模型如圖6所示。Pro/E建立的裝配模型導(dǎo)入 ANSYS時需要注意以下圖5Pro/E菜單中 ANSYS功能選項問題:18承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報2014年第16卷第3期圖6 ANSYS軸系模型1)用鏡像命令建立的Pro/E模型導(dǎo)入 ANSYS時模型會發(fā)生損失,故Pro/E建模必須避免用鏡像命令;2)Pro/E和 ANSYS單位須統(tǒng)一,本文兩軟件中均采用國際單位制m-kg-s;3) ANSYS會將裝配模型中各零件視為獨立的模型,裝配模型導(dǎo)入 ANSYS后須進行 Boolean運算本文所研究的裝配模型導(dǎo)入 ANSYS后需進行g(shù)lue運算。3模型網(wǎng)格劃分空分軸系主軸材料為50Mn合金鋼,軸系總長23m,總重約53.95t,彈性模量設(shè)置為2.0610Pa,泊松比為0.3,密度為7900kg/m3。選用soid273單元對模型1/4正截面進行網(wǎng)格劃分。solid273可以發(fā)生3D變形,通過設(shè)置對稱截面,建立對稱節(jié)點來顯示整體變形效果。這樣可以減少有限元模型網(wǎng)格數(shù)目,從而減少有限元分析的運算量和計時,軸系模型1/4截面網(wǎng)格效果如圖7所示。圖7模型14截面網(wǎng)格劃分圖4有限元模型中零部件的處理1)葉輪軸系上裝配有8個葉輪,建立有限元模型時,用集中質(zhì)量單元mas21l模擬葉輪,并將各質(zhì)量單元與其相應(yīng)的軸系位置節(jié)點進行全自由度的耦合。2)滑動軸承軸系采用8個滑動軸承支撐,每1個軸承用個彈簧單元 COMBIN214進行模擬,彈簧單元的各參數(shù)對照軸承參數(shù)進行設(shè)置。3)聯(lián)軸器在聯(lián)軸器與軸配合的地方,簡化為一實心軸,如圖8所示其中黑點表示節(jié)點,1-2和5-6節(jié)點間為軸與聯(lián)軸器配合部分,2-3和4-5節(jié)點間分別為左右法蘭,3-4節(jié)點間為聯(lián)軸器中間的空心軸6最終建立軸系含零部件有限元模型,如圖9圖8聯(lián)軸器模型所示。圖9有限元模型(下轉(zhuǎn)第27頁)邢華,等:關(guān)于電磁場對單擺運動控制的研究期大要求中間磁鐵斥力小、兩邊磁鐵吸力大,而希望擺幅大則要求中間斥力大、兩邊吸力小),往往要研究新的控制方法才能達到設(shè)計要求,所以編程難度很大。表1周期擺腳綜合測試結(jié)果角度設(shè)定值/(°)10152025顯示角度/(°)1周期0.5s顯示周期/s0.460.490.470.510.470.450.48顯示角度/(°)9周期1.0s顯示周期/s0.960.90.991.01顯示角度/(°)周期1.5s顯示周期/s1.471.491.461.511.51顯示角度/(°)112431周期2.0s顯示周期/s2.011.981.991.952.022.01綜上所述,本設(shè)計器件選擇獨特,硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計相對比較復(fù)雜,基本達到設(shè)計要求。參考文獻:1]張勇.ARM原理與C程序設(shè)計[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009[2]黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計竟賽常用電路模塊制作[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,20113]黃志偉,王彥,陳文光,等全國大學(xué)生電子設(shè)計竟賽訓(xùn)練教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010[4]黃志偉全國大學(xué)生電子設(shè)計竟賽電路設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011[5]張崇巍,李漢強.運動控制系統(tǒng)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2002[6]徐愛華.單片機應(yīng)用技術(shù)教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003(上接第18頁)5結(jié)論1)Pro/E建立三維模型時可以導(dǎo)入.dwg格式的共享文件作為草繪文件,從而提高建模效率,避免模型修改時重復(fù)建模的繁瑣過程;2)建立Pro/E與 ANSYS軟件的圖形無裂縫聯(lián)接,將Pro/E模型導(dǎo)入ANSYS,保障了有限元模型的精確建立,能夠有效彌補 ANSYS建模功能的不足;3)建立有限元模型時,可用 solid273單元可對軸對稱模型1/4正截面進行網(wǎng)格劃分,通過設(shè)置對稱截面,建立對稱節(jié)點來顯示整體變形效果;葉輪可用質(zhì)量單元mas1模擬;滑動軸承可用彈簧單元 COMBIN214進行模擬;膜片聯(lián)軸器可簡化為一段多節(jié)點空心軸。參考文獻:[1]丁毓峰等, ANSYS"2有限元分析完全手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011[2]徐素影. ANSYS與Po/E接口技術(shù)研究[J一重技術(shù),2007,(4):99-10[3]王鳳麗,宋繼良,譚光宇,等,在 ANSYS中建立復(fù)雜有限元模型[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2003,8(3):22-24,28[4]李波, ANSYS結(jié)構(gòu)建模技巧[J.山西建筑,2007,33(5):76[5]劉德仿,李麗英,周臨震,等,基于 ANSYS的建模及分析方法研究[J].制造業(yè)自動化,2011,33(19):140-142,149[6]馬輝,戴繼雙,孟磊,等.大型離心壓縮機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)分析[J]·中國工程機械學(xué)報,2010,8(2):127-13