基于ANSYS的空分轴系及其零部件有限元模型研究

ISSN1o08-9446承德石油高等专科学校学报第16卷第3期,2014年6月CN13-1265/TEJournal of Chengde Petroleum CollegeVol 16. No. 3. Jun. 2014基于 ANSYS的空分轴系及其零部件有限元模型研究韩彦龙,孙晨曦,王二利(承德石油高等专科学校机械工程系,河北承德067000摘要:以某大型空气分离机多机组轴系为研究对象,介绍了轴系在Pro/E软件中建模过程;实现了Pro/E装配模型导入 ANSYS软件的无裂缝图形联接;研究了有限元模型网格划分技巧以及有限元模型中零部件的处理方法。为复杂含零部件结构有限元模型的快速精确建立提供了参考和依据关键词:轴系;Pro/E; ANSYS;有限元模型;中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号: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作为大型通用有限元分析软件,已在工程中被广泛运用。但其建模功能不够强大,对于结构较复杂的模型,建模过程十分繁琐21,空分轴系在 ANSYS中建模需要耗费大量时间与精力35)。本文运用Pro/E强大的参数化设计功能进行实体建模并装配,建立Pro/E与 ANSYS的无裂缝图形接口联接,提高轴系建模效率的同时,保障了轴系有限元模型的精确性。P'ro/E建立轴系三维模型本文以机型为DMCL1204+2MCL1203+齿式增压机的大型空分机组轴系为研究对象,其中机组低压缸、中压缸、汽轮机、齿式增压机由三个膜片联轴器依次联接,结构布置如图1所示。联轴器中压缸汽轮机压机图1空分机组结构收稿日期:2013-12-1作者简介:韩彦龙(1987-),男,河北石家庄人,承德石油高等专科学校机械工程系助教,硕士,主要研究转子动力学与转子稳定性工作。韩彦龙,等:基于 ANSYS的空分轴系及其零部件有限元模型研究17运用Pro/E分别建立轴系各轴段三维模型。其中,汽轮机轴为轴对称结构,其结构十分复杂。在软件CAXA中建立其二维图形,运用CAXA软件裁剪等功能,将汽轮机轴沿着中心线裁剪,建立汽轮机轴半、封闭、无重复线段的二维图,并保存成*,dwg格式的共享文件,如图2所示。图2汽轮机轴二维共享文件共享文件在Pro/E中可以直接导入,作为三维建模旋转命令时的草绘文件。可以通过修改共享文件实现对模型的修正,避免了模型修正时重复草绘的大量琐碎工作,汽轮机轴Pro/E模型如图3所示。图3汽轮机轴三维模型运用这种方法,将各轴段及联轴器模型在Pro/E中装配,建立轴系三维模型如图4所示。图4轴系装配模型2Pro/E模型导入 ANSYS通常可以通过3种方法实现Pro/E模型导入 ANSYS:将Po/E模型保存成IGES格式文件后导入ANSYS;将Pro/E模型保存成ANS格式文件后导人 ANSYS;建立Pro/E与 ANSYS的无裂缝图形接口联接,通过这种方法能够实现两种软件的无裂缝联接,模型不会有损失。本文采用这种方法将Pro/E装配模型导入 ANSYS软件,其基本操作过程如下:1)选择 CAD Configuration Manager,然后再在对话框中选择 CAD Selection选项,选中 Workbench andANSYS Geometry Interfaces和Pro/E,单击Next;2)在Pro/E选项卡输入Pro/E的启动目录和安装目录,单击Next;3)在 CAD Configuration选项卡中单击 Disply Congiguration Log File,单击 Configure Selected CAD In-race完成。运用这种方法时需要满足,电脑同一系统下同时安装有Pro/E和 ANSYS两个软件,并且Pro/E的版本不得高于同期ANSYS12.1窗口(W)帮助(H的 ANSYS版本。本文实现了Pro/E5.0与 ANSYS12.1的联△ Workbenchto Named Selection Manager接。联接成功以后会在PE菜单中多出一项“ ANSYS12.1”, 2 Workbench Help如图5所示。U About Workbench Geometry Interface完成Pro/E模型建立后直接单击“ ANSYS12.1”菜单下ANSConConfi的“ ANSYS Geom”命令,可以将模型直接导人 ANSYS中,导ANSYSGeom入 ANSYS后的轴系模型如图6所示。Pro/E建立的装配模型导入 ANSYS时需要注意以下图5Pro/E菜单中 ANSYS功能选项问题:18承德石油高等专科学校学报2014年第16卷第3期图6 ANSYS轴系模型1)用镜像命令建立的Pro/E模型导入 ANSYS时模型会发生损失,故Pro/E建模必须避免用镜像命令;2)Pro/E和 ANSYS单位须统一,本文两软件中均采用国际单位制m-kg-s;3) ANSYS会将装配模型中各零件视为独立的模型,装配模型导入 ANSYS后须进行 Boolean运算本文所研究的装配模型导入 ANSYS后需进行glue运算。3模型网格划分空分轴系主轴材料为50Mn合金钢,轴系总长23m,总重约53.95t,弹性模量设置为2.0610Pa,泊松比为0.3,密度为7900kg/m3。选用soid273单元对模型1/4正截面进行网格划分。solid273可以发生3D变形,通过设置对称截面,建立对称节点来显示整体变形效果。这样可以减少有限元模型网格数目,从而减少有限元分析的运算量和计时,轴系模型1/4截面网格效果如图7所示。图7模型14截面网格划分图4有限元模型中零部件的处理1)叶轮轴系上装配有8个叶轮,建立有限元模型时,用集中质量单元mas21l模拟叶轮,并将各质量单元与其相应的轴系位置节点进行全自由度的耦合。2)滑动轴承轴系采用8个滑动轴承支撑,每1个轴承用个弹簧单元 COMBIN214进行模拟,弹簧单元的各参数对照轴承参数进行设置。3)联轴器在联轴器与轴配合的地方,简化为一实心轴,如图8所示其中黑点表示节点,1-2和5-6节点间为轴与联轴器配合部分,2-3和4-5节点间分别为左右法兰,3-4节点间为联轴器中间的空心轴6最终建立轴系含零部件有限元模型,如图9图8联轴器模型所示。图9有限元模型(下转第27页)邢华,等:关于电磁场对单摆运动控制的研究期大要求中间磁铁斥力小、两边磁铁吸力大,而希望摆幅大则要求中间斥力大、两边吸力小),往往要研究新的控制方法才能达到设计要求,所以编程难度很大。表1周期摆脚综合测试结果角度设定值/(°)10152025显示角度/(°)1周期0.5s显示周期/s0.460.490.470.510.470.450.48显示角度/(°)9周期1.0s显示周期/s0.960.90.991.01显示角度/(°)周期1.5s显示周期/s1.471.491.461.511.51显示角度/(°)112431周期2.0s显示周期/s2.011.981.991.952.022.01综上所述,本设计器件选择独特,硬件结构与软件设计相对比较复杂,基本达到设计要求。参考文献:1]张勇.ARM原理与C程序设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009[2]黄智伟.全国大学生电子设计竟赛常用电路模块制作[M].北京:北京航空航天大学出版社,20113]黄志伟,王彦,陈文光,等全国大学生电子设计竟赛训练教程[M].北京:电子工业出版社,2010[4]黄志伟全国大学生电子设计竟赛电路设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2011[5]张崇巍,李汉强.运动控制系统[M].武汉:武汉理工大学出版社,2002[6]徐爱华.单片机应用技术教程[M].北京:机械工业出版社,2003(上接第18页)5结论1)Pro/E建立三维模型时可以导入.dwg格式的共享文件作为草绘文件,从而提高建模效率,避免模型修改时重复建模的繁琐过程;2)建立Pro/E与 ANSYS软件的图形无裂缝联接,将Pro/E模型导入ANSYS,保障了有限元模型的精确建立,能够有效弥补 ANSYS建模功能的不足;3)建立有限元模型时,可用 solid273单元可对轴对称模型1/4正截面进行网格划分,通过设置对称截面,建立对称节点来显示整体变形效果;叶轮可用质量单元mas1模拟;滑动轴承可用弹簧单元 COMBIN214进行模拟;膜片联轴器可简化为一段多节点空心轴。参考文献:[1]丁毓峰等, ANSYS"2有限元分析完全手册[M].北京:电子工业出版社,2011[2]徐素影. ANSYS与Po/E接口技术研究[J一重技术,2007,(4):99-10[3]王凤丽,宋继良,谭光宇,等,在 ANSYS中建立复杂有限元模型[J].哈尔滨理工大学学报,2003,8(3):22-24,28[4]李波, ANSYS结构建模技巧[J.山西建筑,2007,33(5):76[5]刘德仿,李丽英,周临震,等,基于 ANSYS的建模及分析方法研究[J].制造业自动化,2011,33(19):140-142,149[6]马辉,戴继双,孟磊,等.大型离心压缩机转子系统不平衡响应分析[J]·中国工程机械学报,2010,8(2):127-13