1、有限元法在臥螺離心機轉鼓強度分析上的應用高志惠，黃維菊，張俊青，陳文梅（四川大學化學工程學院，四川成都610065）摘要：有限元法作為離心機強度計算的數值分析方法，相對于傳統的強度計算方法有著顯著的優越性。對有限元法在臥螺離心機轉鼓強度分析上的應用進行了總結，對用有限元法分析轉鼓強度時應重點考慮的問題進行了討論，并對其在臥螺離心機設計中的更多應用進行了展望。關鍵詞：臥螺離心機；轉鼓；有限元法；強度中圖分類號：TQ051.8+4文獻標識碼：A文章編號：1005-8265（2009）04-0033-030引言臥式螺旋卸料沉降離心機(下稱“臥螺離心機” 自1954年出現后，由于它具有單機處理能力大、

2、操作方便、能連續自動操作、勞動強度低、占地面積少以及維護費用低等優點，得到了迅速發展，廣泛應用于石油、化工、冶金、醫藥、食品、輕工等部門。由于懸浮液的沉沉渣的輸送和脫水都在轉鼓中完成，因此轉鼓是臥降、用傳統的螺離心機的主要部件1。因轉鼓結構較復雜，強度設計計算方法，對轉鼓各部位的應力往往得不到正確的估價從而影響離心機使用的安全性2，并且按此算法設計的離心機轉鼓系相關尺寸有較大富裕，造成材料的浪費，是很不經濟的3。采用有限元法分析設計轉鼓是解決這個問題的有效手段，它不受幾何形狀的限制，可以直接對轉鼓整體的各部分進行詳細計算，具有重要實際工程價值。也開始將有限元法用于離心機轉鼓的應力分析89。2.

3、1應用現狀近20多年來，許多學者和工程技術人員先后開展了有限元分析在轉鼓強度計算上的應用研究，取得了極有價值的成果。在優化轉鼓目標函數方面，以轉鼓重量為目標函數，以強度約束、位移約束和幾何約束為約束條件，采用有限元法作應力分析，運用混合懲罰函數法進行尋優10；以啟動轉鼓所需的驅動功率為目標函數，以填料比例、轉鼓轉速、摩擦系數及回彈系數等參數為設計變量，應用有限元法對轉鼓部件進行仿真，得到了填料比轉鼓轉速、摩擦系數對動態結構仿真影響很大的結例、論11；以轉動慣量為目標函數，采用ANSYS 有限元軟件對轉鼓完成參數化建模，以這些參數為設計變量，基于有限元分析計算，對轉鼓結構的幾何尺寸進行優化以分離

4、因數為目標函數，以轉鼓直徑、回轉角設計12；速度、壁厚為設計變量建立優化設計數學模型，經過逐次迭代，得到了轉鼓的優化尺寸，提高了轉鼓的分離能力，降低了轉鼓的壁厚13。在研究轉鼓參數方面，應用Pro/E軟件建立了臥螺離心機轉鼓的有限元模型，通過改變轉鼓內徑、大端質量、筒體壁厚等主要尺寸參數和轉速、液池深度等可調節的機械參數分別對轉鼓進行了模態和靜力仿真分析。通過分析，分別獲得轉鼓各參數的變化對其頻率、應力及應變的影響14；通過ANSYS 有限元軟件分析轉鼓系統的模態特性及變形問題，通過對轉速的優化，得2有限元法在轉鼓強度分析上的應用由于臥螺離心機轉鼓結構的多樣性及復雜性，如Souroku Suz

5、uki 研制的雙錐角臥螺離心機4；Woon-Fong Leung 等在轉鼓錐段排出口附近的內筒上安裝流動控制結構5；Tetsuo Ohinata 等開發的直筒壓榨式臥螺離心機6，使得適合分析復雜結構的有限元法得到了廣泛應用。從1983年起，英國BS767“工業及商業用過濾式離心機和沉降式離心機”標準就明確指出，對于旋轉轉鼓的應力分析，最合適的方法是有限元分析方法7。為探求合理的設計計算方法，我國從20世紀80年代起，收稿日期：2009-09-28，.到了轉鼓在一、二階固有頻率下其最大變形值分別發生在大端和小端的結論15；應用VisualNastran 有限元仿真軟件對臥螺離心機轉鼓虛擬樣機模型

6、在各種工況下進行應力應變仿真分析，得到了轉鼓的應力和徑向位移的分布情況。并在此基礎上，主要對轉鼓轉速16和轉鼓壁厚進行了優化，提高了離心機的分離效果，減輕了離心機質量。在研究轉鼓結構方面，應用ANSYS 有限元軟件建立了臥螺離心機雙錐角轉鼓的二維有限元模型，對其在正常工作狀態下的整體結構進行了靜力分析，得到了轉鼓的徑向、軸向變形和應力分布及最大應力點17。對改進后的雙錐角轉鼓進行強度和剛度的校核，為驗證雙錐角結構的安全性提供了理論依據。除此以外，在回顧以往轉鼓強度分析的基礎上，探討了轉鼓強度評定準則18；應用Pro /E軟件，對臥式螺旋沉降離心機進行參數化建模和可視化設計，并對臥式螺旋沉降離心

7、機轉鼓進行機構工作過程仿真，實現了在臥螺離心機的設計階段可視地對它進行干涉檢測，為實物的制作及安裝環境提供一切必要的準備19等等。目前對臥螺離心機轉鼓強度的有限元分析主要在改變參數后看轉鼓是否還滿足強度和剛度要求。其實轉鼓的結構、形狀和參數在很大程度上決定了離心機的特點和工藝效果。若是轉鼓參數變化導致其強度低，高轉速離很難提高離心機的分離因數，束縛了大直徑、而且目前對轉鼓參數的研究僅限于轉速、心機的發展。硬盤空在有限元分析中，為了減少占用的RAM 、必須適當地簡化實體。目前，許多分析間和CPU 時間，網格劃分直接影響到計算結果的精度和計算速度，甚至會因為網格劃分不合理而導致計算不收斂。目前對臥

8、螺離心機轉鼓的網格劃分一般采用四面體如果不使用中間節點，在很多單元。對于四面體單元，在臥螺離心機運行過程中，轉鼓主要承受由于轉鼓自身質量高速旋轉引起的離心力作用以及物料離心壓力作用。值得注意的是轉鼓自身質量引起的離心力但由作用容易考慮，計算軟件通常提供此項分析功能。于物料離心壓力與回轉半徑的平方成正比，計算軟件在進行有限元分析時，目前大都是應用Pro/E等三維軟件對轉鼓建立實體模型，然后通過導入接口導入到專業的有限元分析軟件ANSYS 中進行分析。這種軟件分析的功能比較強大，可以進行全面的力學分析，但是使用者應具有豐厚的力學背景知識，還需要多次的實踐和經驗積累，因為專業，所以比較難學22。而且

9、最致命的缺點就是在將Pro/E模型導入ANSYS 時，經常會出現復雜曲面發生曲面丟失或者變形的情況。有些學者為了解決導入帶來的問題，就直接在ANSYS 軟件中進行分析對象的實體建模，以求得到更加準確的分析結果。但是ANSYS 是側重于有限元分析的軟件，用它來實體建模會很不方便。若使用集成有Cos mosWorks 有限元分析軟件的SolidWorks 軟件，在傳統強度設計計算的基礎上，用SolidWorks 軟件建立三維模型，用CosmosWorks 有限元分析軟件進行應力的有限元分析，既方便快捷，又能較為準確地確定各部位的應力值。機的設計制造等各個環節將發揮著重要作用，它使離心機向著更安全、

10、更經濟的方向發展的目標成為可能。可以樂觀的估計，在不遠的將來，有限元方法將非常廣泛地應用到離心機行業的各個領域，它將為我國的離心機設計水平趕超國際先進水平而發揮重要的作用。參考文獻：1李自光，毛文貴，傅彩明. 臥螺離心機轉鼓的應力應變有限元2006，22(1：62-65. 仿真分析J.食品與機械，2周知進，傅彩明. 臥式螺旋離心機轉鼓參數變化對其模態影響的仿真J.中南大學學報(自然科學版 ，2007，38(2:309-313.周密. 易澤明. 離心機復雜轉鼓的有限元優化計算J.3馮立成，機械強度，2002，24(2：295-297.4Souroku Suzuki.Three -phase se

11、paration device using doubly -United States Patent ，4729830P.1988-03-08.canted decanter ：6Tetsuo Ohinata.Decanter type centrifugal separator with restric tion effected discharge ：United States Patents ，6780148P.2004-08-24.7BS767-1983，Specification for centrifuges of the basket and bowl type for use

12、in industrial and commercial applications BS767S.8胡金榜，李恩貴，朱啟新. 離心機轉鼓應力狀態的研究J.天津1981，(01：137-148. 大學學報，9程金鳳. 離心機轉鼓應力和變形的分析J.河北工業大學學報，1985，(02：55-66.10戚俊清. 離心機轉鼓的優化設計研究J.鄭州輕工業學院學報，1989，4(1：7-12.C. R. WASSGREN. Modeling the Dynamics of Fab 11J. PARK ，ric in a Rotating Horizontal Drum Using the Discrete

13、 Element 2003，(21：Method J.ParticulateScience and Technology ，157-175.12劉天豐，童水光，孫富一. 基于有限元法的臥螺離心機轉鼓優化設計J.化工機械，2006，32(2：85-87.13趙斌. 臥式螺旋離心機轉鼓有限元仿真研究J.石油化工設備技術，2008，29(4：45-47.14周知進，傅彩明. 臥螺離心機轉鼓主要參數對其模態的影響J. 機械設計，2006，23(9：28-30.15方彥凱，劉潔. 臥式螺旋離心機轉鼓系有限元模態分析J.食品與機械，2008，24(6：93-96.16毛文貴，劉迎春，傅彩明. 臥螺離心機轉

14、鼓虛擬樣機建模與有限元仿真研究J.湖南工程學院學報，2005，15(4：44-47. 17董俊華，劉忠明，范德順. 臥螺離心機雙錐角轉鼓結構的有限元分析J.北京化工大學學報，2004，31(4：99-102.（48頁）3展望有限元法在臥螺離心機的分析設計中發揮了非常重要的作用，使離心機的結構得到了優化，有效地提高了工作性能，帶來了良好的經濟效益。但目前情況下，大都將螺旋輸送器、轉鼓等零部件分開進行研究，對螺旋-轉鼓組進行整體研究的卻很少，即使進行整體研究時，為了簡化模型，也將螺旋-轉鼓組考慮為多剛體系統，所得結果不能真實反映離心機的工作特性；目前尚未有用于離心機轉鼓應力分析評定的系統方法，考慮

15、到離心機轉鼓可以認為是一種特殊的承壓設備，所以對轉鼓進行有限元應力分析時，可以參照在壓力容器行業制定的應力分析評定標準，但有限元法不能對應力進行進一步分析，不能區分出應力的類型，得出的結論不能對轉鼓的優化提供更加可信的科學依據，這些方面還有待進一步的研究與發展。有限元法在離心機行業將會有更廣大的空間。比如用有限元法分析轉鼓在焊接過程中的殘余應力，充分指導機械的焊接過程；在開機、停機等瞬態過程中的應力進行分析，解決在這些過程中的機器損害等等。（26）（30）（34）（38）（41）（45）噴灌用水力旋流器的設計與數值模擬劉建華，連黎明，翟國亮三級變壓器油真空濾油機技術參數分析曹鳳偉編織濾布自身性

16、能對過濾的影響朱永愛，劉國榮臥螺離心機在酒糟廢液分離中的應用劉長星丁啟圣新型過濾機在工業中的應用（待續）油氣回收技術的研究現狀李榮強，劉國榮，周季乾，等第4期金屬絲網過濾器過濾初期階段壓力特性的研究*代廣平，張博松，羅曉蘭，等（1）金屬離子固載膜及其有機物的滲透汽化分離*項雯，杜春慧，吳禮光（5）納濾分離機理及應用于高含鹽溶液脫鹽的進展*陳利，沈江南，林龍，等（9）殼聚糖復合絮凝劑處理含油廢水丁仕強（13葛寧，馮穎（17）改性PVA-CA 共混膜的制備與性能研究楊德武，微電解-混凝工藝預處理染料廢水的研究盧科峰，李艷（20）旋轉壓濾機功率消耗的實驗研究陳望，曾振祥，李發軍（22）金屬燒結氈濾芯

17、過濾非牛頓料漿實驗研究吉慶林，劉國榮（26）膜分離氨基酸的模型研究王一鳴，張永鋒，許振良，等（30）有限元法在臥螺離心機轉鼓強度分析上的應用高志惠，黃維菊，張俊青，等（33）劉姣（36）石腦油脫水試驗及消減堿渣的研究馬慶磊，鍋爐分離除塵工藝方案潘永寶，裴亮, 姬濤（38）碟式分離機和臥式離心機在生物工程中的應用王友強（41）丁啟圣（44）新型過濾機在工業中的應用（續完）*基金論文：16自引頻次：15!（上接第35頁）18譚蔚，王澤軍，朱企新. 有限元方法在離心機轉鼓強度分析中的應用J.化工機械，2002，29(2：103-107.陶學恒，馮少嶺，等. 臥式螺旋沉降離心機的三維可視19楊宇，20

18、08，25(2：8-9. 化設計及仿真J.機械設計，20劉東杰，陳志，李建明，等. 虹吸式離心機轉鼓結構的有限元應力分析J.流體機械，2008，36(03：24-28.21陳海生，張慧峰. 臥螺離心機轉鼓的三維有限元分析J.現代制造技術與裝備，2007，17(3：20-22.戴建強，席晨飛. 基于SolidWorks 的應力分析和運22蔡慧林，動仿真的研究J.機械設計與制造，2008，(1：92-94.Application of the Finite Element Method in the StrengthAnalysis of a Decanter Centrifuge DrumGAO Zhi-hui ，HUANG Wei-ju ，ZHANG Jun-qing ，CHEN Wen-mei (Schoolof Chemical Engineering, Sichuan University ，Chengdu 610065，ChinaAbstract:Finite element method as a method of numerical analysis for calculating centrifuge strength has significant superiority over the traditional calculation methods. T