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水電站啟閉機(jī)卷筒的有限元分析

發(fā)布于:2024-09-18 19:41
有限元分析

      目前,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于水工領(lǐng)域,利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)一些在卷筒設(shè)計(jì)研究中無法計(jì)算解決的問題,也找到了新的計(jì)算分析方法,以往一些復(fù)雜的手工計(jì)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(jī)卷筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn),選擇ANSYS軟件作為有限元分析軟件,將會(huì)提高啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)手段,克服以往靠傳統(tǒng)計(jì)算方法和經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)狀態(tài),減少設(shè)計(jì)誤差,提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)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(shí)際結(jié)構(gòu),建立實(shí)體模型,劃分有限元網(wǎng)格,然后根據(jù)受力特點(diǎn)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(jì)算。
      因計(jì)算機(jī)資源有限,在建模過程中,要進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化,模型要反映卷筒實(shí)際結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性,簡(jiǎn)化一些對(duì)計(jì)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(jì)算速度。
      因?yàn)閱㈤]機(jī)卷筒多屬于焊接殼結(jié)構(gòu),在有限元模型簡(jiǎn)化時(shí),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(duì)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(dòng)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(shí)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(duì)左端進(jìn)行固定約束,右端允許軸向移動(dòng),約束其它兩個(gè)方向。
      根據(jù)卷筒的受力狀況,鋼絲繩對(duì)卷筒的作用力主要有3個(gè):1)受到一定張力的鋼絲繩纏繞在卷筒外壁,帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn),對(duì)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)中心產(chǎn)生扭矩;2)把卷筒簡(jiǎn)化為一簡(jiǎn)支梁,當(dāng)鋼絲繩的拉力作用在卷筒上后,會(huì)產(chǎn)生彎矩;3)把鋼絲繩在卷繞時(shí)對(duì)卷筒筒壁產(chǎn)生的緊箍作用看作成一個(gè)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(shí)體單元,在劃分網(wǎng)格過程中,在卷筒的敏感區(qū)域或危險(xiǎn)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(jì)算的精度要求,而且還節(jié)省了計(jì)算時(shí)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(duì)稱各布置37圈繩槽,我們?cè)贏NSYS軟件中建立具有74 圈繩槽的有限元模型,然后加載分析計(jì)算,其計(jì)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(jì)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:?jiǎn)㈤]力100t,吊具自重11t,考慮動(dòng)載系數(shù)后,合計(jì)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(jì)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(jì)算,卷筒扭矩0.21285×109N·mm,最大彎矩0.254721×109N·mm。根據(jù)啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范及力學(xué)公式,計(jì)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(jì)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(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范上規(guī)定的許用壓應(yīng)力216.7MPa。



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