张海平：管磨机筒体有限元分析的探讨管磨机筒体有限元分析的探讨张海平（中材建设有限公司，北京100176）构强度和变形是需要特别注意的。利用有限元软件ANSYS对其进行分析时，对筒体进行两种不同的建模方式，其分析结果有较大的差异。分别对两种建模方式进行了分析探讨，并对分析结果进行了对比，据此确定了较好的方案。
木f/t陪0前言管磨机由于结构简单、坚固，对各种性质的物料适应性强，且具有操作可靠、维护管理容易、易损件便于检查和更换及能长期连续运转等特点，在建材、冶金、电力、选矿、化工等行业中得到广泛应用。管磨机在低速而长期连续运转的过程中，其筒体要长期承受着重载交变的动载荷，且筒体属于不更换的部件，因此在结构设计和生产制造中，必须保证筒体能安全可靠并能长期使用。
对管磨机筒体的强度分析，长期以来是按照梁的传统理论进行粗略计算的，其计算结果与管磨机筒体实际受力状态有很大出人，不能合理指导设计。而采用有限元分析的方法对管磨机筒体进行有限元分析，则能比较精确快速地确定其变形量和应力分布，便于确定最优的结构设计方案，并能为故障发生的根本原因提供有力的辅助分析资料。但是在有限元分析中，模型的建立方式对分析结果的影响很大，建模的处理正确与否直接关系到结果的正确性和合理性。本文利用有限元软件ANSYS，对4.2mX14m管磨机筒体进行有限元分析时，就采用了两种不同的建模方式，其分析结果有较大的差异；在此基础上笔者分别对两种建模方式进行了分析探讨与比较，确定了较好的建模方案。
1模型4.2mX14m管磨机筒体是由进口滑环、出口滑环、筒体、隔舱板、传动接管、进料端滑履、出料端滑履组成。其中进口滑环、出口滑环与筒体焊接在一起；传动接管通过焊接在其上的法兰用螺栓与出口滑环联接在一起；隔舱板通过螺栓与筒体联接，并把筒体分成两个仓；每个仓开有一个人孔门，两个人孔门成180角放置；筒体通过两侧的滑环支撑在四个滑履上。
管磨机筒体是用钢板卷制焊接而成的圆筒形薄壁壳体，在筒体上还开有磨门（人孔）和螺栓孔，其筒体厚度远小于板面长宽的尺寸，是有限元中的薄板问题，因此在构建薄壁结构的有限元模型时通常选用壳单元。ANSYS提供的壳单元都能很方便地用于薄壁结构的建模并能得到精确的结果，同时避免了采用实体单元构建此类结构所带来的复杂性和规模的庞大性。壳单元的厚度是由实常数决定的，由于壳单元的厚度独立于几何模型，因此可以很方便地进行参数化和优化设计。此外，建立一个用于生成壳单元的面几何模型要比建一个三维实体几何模型简单得多。
下文在建立分析模型时没有建立衬板、螺栓等模型，这是因为衬板截面形状复杂，难以建立与实际相符的模型；而螺栓数目较多，如果建模时全部考虑，则大大增加模型的复杂程度，浪费计算机资源。
这里将筒体的衬板、螺栓等特征按非结构质量处理，把它们的质量按等效密度施加到相应的筒体单元上。根据筒体的结构，采用了壳单元建模，两侧的四个滑履采用了三维实体单元建模，二种方式的建模情况如下。
（1）无人孔门的筒体模型，即不考虑筒体上的人孔门，其筒体分析模型见，模型网格划分见。因为此分析为静态结构分析，则筒体结构及受载具有对称性，建模时就不必考虑筒体所处的位置。
（2）有人孔门的筒体模型，即考虑筒体上的两个人孔门。把管磨机运转一周（从进料端看为逆时针转动）均地分成12个等分，每等分称为1时，总共12时。当然也可以划分更多的等分，但考虑到计算机资源和计算效率，通过比较发现划分为12等分既可以提高计算效率，也能有效地反映出管磨机运转一周筒体的变形量和强度分布的变化。此方式12时（此时进料端人孔门位于筒体顶面）的筒体分析模型如，模型网格划分见，。其中为了更好地模拟所有易产生应力集中的区域，人孔门及其圆角等关键区域网格划分较细，而非关键区域则可适当粗大。部表面施加简支约束。两端的滑环与相应端的滑履通过接触单元联接。
（2）载荷。在管磨机运转过程中，研磨体和物料等作用于磨机筒体上的载荷是动态变化的，此处进行适当简化。在考虑研磨体和物料的载荷作用时，按照流体介质静压力施加在筒体的内表面上类似于水压力的理论，对于此磨机，按研磨体填充率30%计，相应的“液面”距中心平面高度为1434mm，且“液面”水平。
经计算，进料端衬板质量为6995kg，出料篦板质量为8249kg，隔舱板质量为17 832kg，两仓衬板质量为87675kg，作用力方向均为竖直向下。
3分析结果及对比3.1分析结果（1）无人孔门筒体的分析结果。无人孔门筒体的综合变形和Vonmises等效应力分布图分别见，。
2边界条件（1）约束。根据管磨机的运行情况，出料端两滑履的底部表面施加固定约束，进料端两滑履的底（2）有人孔门筒体的分析结果。有人孔门筒体的有限元计算结果比较多，表1列出了筒体两人孔门在各时刻的Vonmises等效应力。进、出料端人孔门的Vonmises等效应力图网见，9.从表1和，9中可以看出：两人孔门的应力是随着筒体的圆周转动而循环变化的，而且在筒体一周的转动中，两人孔门应力的变化在前半周和后半周几乎是对称的。
限于篇幅，下面只显示出了筒体在最大应力值时刻（即11时）的应力值，没有显示出其它时刻的应力值。0，1显示了有人孔门筒体（11时）的Vonmises等效应力。
张海平：管磨机筒体有限元分析的探讨工艺装备表1筒体两人孔门在各时刻的Vonmises等效应力表进料端人孔门出料端人孔门模时，最大等效应力出现在出口滑环和出料端滑履接触处，见；以有人孔门方式建模时，最大等效应力出现在出料端人孔门的圆角区域见0、1，且最大等效应力值要大很多，见表2.表2不同模型所得的分析结果对比表建模方式筒体综合变形/mm无人孔门有人孔门在以往的管磨机筒体有限元分析中，分析模型中很少考虑人孔门的。而实际的筒体中肯定是存在人孔门的，只是人孔门的数量、形状和位置不同而已。从以上的筒体有限元分析中我们了解到，筒体的最大等效应力出现在出料端人孔门的圆角处，而不是出现在滑环与滑履的接触处。所以在进行筒体的有限元分析时，建模时必须要考虑筒体上的人孔门，这样计算出的结果才能更好地与实际相符合。
若要减小人孔门的应力，根据实际情况，可以考虑增大人孔门的圆角半径或增大人孔门加强板的板厚，进一步提高筒体的可靠性。
4结语采用有限元软件ANSYS对管磨机筒体进行有限元分析，能快速精确地确定其变形量和应力分布，便于确定最优的结构设计方案。但其建模方式考虑有、无人孔门时，其计算结果相差很大。其中最大等效应力区域不同，且最大应力值差距很大。
实际的管磨机筒体中肯定是存在人孔门的，因此有限元分析建模时必须采用有人孔门的建模方式，这样得出的结果才能更好地与实际的情况相符合。