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目前，隨著計算機技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于水工領(lǐng)域，利用現(xiàn)代設(shè)計方法對一些在卷筒設(shè)計研究中無法計算解決的問題，也找到了新的計算分析方法，以往一些復(fù)雜的手工計算過程，甚至誤差較大的問題，現(xiàn)在也可以做進(jìn)一步的精確研究了。根據(jù)水電站啟閉機卷筒結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，選擇ANSYS軟件作為有限元分析軟件，將會提高啟閉機的設(shè)計手段，克服以往靠傳統(tǒng)計算方法和經(jīng)驗的設(shè)計狀態(tài)，減少設(shè)計誤差，提高設(shè)計效率和設(shè)計精度。
為了準(zhǔn)確反映卷筒的各部分的應(yīng)力分布情況，杭州那泰有限元分析公司首先將根據(jù)卷筒的實際結(jié)構(gòu)，建立實體模型，劃分有限元網(wǎng)格，然后根據(jù)受力特點和約束情況，施加邊界條件和外載荷，最后使用ANSYS軟件進(jìn)行求解計算。
因計算機資源有限，在建模過程中，要進(jìn)行模型的簡化，模型要反映卷筒實際結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，簡化一些對計算結(jié)果影響不大的特征，以減少劃分網(wǎng)格的數(shù)量，提高計算速度。
因為啟閉機卷筒多屬于焊接殼結(jié)構(gòu)，在有限元模型簡化時，我們將卷筒和鋼繩做如下假設(shè)卷筒是封閉的薄壁圓柱殼，材料均質(zhì)，各向同性，將鋼絲繩對卷筒的壓力均勻分布在鋼絲繩與卷筒的接觸寬度上。
上述卷筒結(jié)構(gòu)左端通過卷筒軸（短軸）支承在滾動軸承座上，右端與卷筒聯(lián)軸器相連，由于鋼絲繩在卷筒上纏繞處離兩端各有一段距離，在實際工作中，左右兩端變形很小，在此將兩端作為邊界條件，進(jìn)行約束，對左端進(jìn)行固定約束，右端允許軸向移動，約束其它兩個方向。
根據(jù)卷筒的受力狀況，鋼絲繩對卷筒的作用力主要有3個：1）受到一定張力的鋼絲繩纏繞在卷筒外壁，帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，對卷筒轉(zhuǎn)動中心產(chǎn)生扭矩；2）把卷筒簡化為一簡支梁，當(dāng)鋼絲繩的拉力作用在卷筒上后，會產(chǎn)生彎矩；3）把鋼絲繩在卷繞時對卷筒筒壁產(chǎn)生的緊箍作用看作成一個均勻的壓力，并作用于筒壁上。
材料設(shè)置與網(wǎng)格劃分。本例中的卷筒使用Q34B鋼板卷制而成，塑形材料，模型單元選用SOLID45實體單元，在劃分網(wǎng)格過程中，在卷筒的敏感區(qū)域或危險部位進(jìn)行細(xì)化，滿足分析精度要求，且單元數(shù)不至于過多，這樣不僅滿足計算的精度要求，而且還節(jié)省了計算時間。
以卷筒結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析，卷筒相關(guān)尺寸為：槽底直徑Φ=1258mm；繩槽高度h=12mm；繩槽節(jié)距t=35mm。按照卷筒的尺寸，筒殼上左右對稱各布置37圈繩槽，我們在ANSYS軟件中建立具有74 圈繩槽的有限元模型，然后加載分析計算，其計算過程同上，比較分析帶繩槽卷筒同光卷筒的應(yīng)力。為同上述光筒比較計算結(jié)果，選用的材料也為Q345，根據(jù)尺寸建立有限元模型和劃分網(wǎng)格，加載及求解。
傳統(tǒng)理論分析。我們以卷筒結(jié)構(gòu)為例來說明：啟閉力100t，吊具自重11t，考慮動載系數(shù)后，合計總載荷為122.1t，因滑輪組倍率為4，共8根鋼繩承擔(dān)載荷，所以計算所得單根鋼絲繩的最大靜拉力16.5t，根據(jù)此最大靜拉力，纏繞繩表面壓力荷載7.3MPa，另通過計算，卷筒扭矩0.21285×109N·mm，最大彎矩0.254721×109N·mm。根據(jù)啟閉機設(shè)計規(guī)范及力學(xué)公式，計算得到：彎曲正應(yīng)力9MPa；扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力3.5MPa；卷筒壁壓應(yīng)力201MPa。
根據(jù)上面的計算結(jié)果可以看出，卷筒所承受的彎曲荷載和扭轉(zhuǎn)荷載很小，而卷筒壁的壓應(yīng)力為2000Pa比較大，小于啟閉機設(shè)計規(guī)范上規(guī)定的許用壓應(yīng)力216.7MPa。
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