有限元分析报告书

轴流式通风机叶轮与机座有限元分析分析与优化报告书第2页共46页目录第一部分机座的有限元分析与优化------------------------------------41.1机座分析的已知条件------------------------------------------41.2材料的力学性能-----------------------------------------------41.3有限元分析模型-----------------------------------------------41.3.1分析前的假设-----------------------------------------41.3.2建立分析模型-----------------------------------------51.3.3建立有限元分析模型----------------------------------71.4计算结果------------------------------------------------------71.4.1变形结果-----------------------------------------------71.4.2应力结果-----------------------------------------------81.4.3路径结果-----------------------------------------------111.4.4分析结果评判------------------------------------------131.5机座优化------------------------------------------------------141.5.1优化参数的确定---------------------------------------141.5.2优化模型的建立---------------------------------------151.5.3优化分析的结果---------------------------------------161.5.4优化结果评判-----------------------------------------17第二部分轮毂的有限元分析与优化-------------------------------------182.1轮毂分析的已知条件-------------------------------------------182.2材料的力学性能------------------------------------------------182.3有限元分析模型------------------------------------------------192.3.1分析前的假设------------------------------------------192.3.2建立分析模型------------------------------------------202.3.3建立有限元分析模型-----------------------------------222.4计算结果-------------------------------------------------------222.4.1变形结果------------------------------------------------222.4.2应力结果------------------------------------------------252.4.3路径结果------------------------------------------------302.4.4结果分析------------------------------------------------362.5轮毂优化-----------------------------------------------------382.5.1轮毂转速在n=1000rpm--------------------------------38第3页共46页2.5.2轮毂转速在n=750rpm---------------------------------43参考文献----------------------------------------------------------------46第4页共46页第一部分机座的有限元分析与优化1.1机座分析的已知条件根据合同内容，甲方提供的已知条件有：①机座结构的设计图1张(3号图纸)，见附件1(原图的复印件)。②机座的工作环境条件：工作温度：常温工作环境：煤矿通风，并安装在地面上。③配套电机型号：YBF355L1-8-185KW380V④电机及叶轮的重量为：电机总重量：2200kg(由甲方提供)叶轮的总重量：543.8kg(由称重和分析模型计算得到)1.2材料的力学性能①根据设计图纸，机座结构的材料为：Q235A查文献[1]有：密度：7.853mt(第1-6页)弹性模量：E196～206GPa(第1-7页),取GPaE200泊松比：3.0切变模量：79GGPa屈服极限：Mpas235对于钢板厚度为：mm16(第3-12页)Mpas225对于钢板厚度为：mm4016抗拉强度：Mpab500375②叶片材料：ZL104密度：2.73mt(第1-6页)重力加速度：2/8.9sm1.3有限元分析模型1.3.1分析前的假设由于机座结构主要通过焊接和螺栓连接组成，没有相对运动的零部件，因此在建立有限元分析模型之前提出如下假设。①假设结构件的焊接是完全可靠的，结构件之间已全焊透，没有焊接残余应力的存在，在分析时不考虑焊脚高度对结构的影响。第5页共46页②假设机座结构不存在任何制造或安装变形，在分析中按图纸的理想结构进行建模。③假定螺栓连接可靠，不考虑螺栓连接的预应力对结构件的影响。④不考虑工艺孔或不影响结构分析的附件结构(如通风孔的遮盖)。⑤不考虑风压载荷对机座的影响。⑥假定叶轮是完全平衡包括动平衡和静平衡。1.3.2建立分析模型1结构简化根据对甲方提供图纸的分析可知，当不考虑电机引出线管结构时，机座结构具有对称性，而且其载荷即电机和叶轮的自重也是对称的，因此在分析时暂不考虑电机引出线管结构的影响，这样可以将机座结构进行简化，即根据其对称性，只要对机座结构的一半建立有限元分析模型即可。简化后的分析模型如图1所示2载荷简化由于不考虑风压及其动载荷的影响，在仅考虑自重的情况下，机座的受力载荷有：1、机座本身的自重2、由电机、轮毂和叶片自重所构成的载荷，它们各自重量为：①电机的重量：kgWd2200(由甲方提供)②轮毂的重量：kgWl8.327(按图纸计算)图1机座的简化分析模型对称面施加对称约束安装面施加全约束电机安装位置施加电机和叶轮重量载荷，按面载荷方式，施加面积为电机尺寸XYZ第6页共46页③叶片的重量：单个叶片的重量为：kg5.13(实际称重)，则总的重量为：kgWy216165.13其受力结构示意图如图2所示。设电机的自重位于电机安装位置的轴心中部，轮毂与叶片的总重量作用在电机轴引出端的中心。将轮毂与叶片的重力向电机自重的作用位置平移，由此将产生一个弯矩xM和总重力W，其中：NkgmNmkgWWMylx36.3437751.350645.0)2168.327(645.0)(将总重力作用在电机与机座的接触面上，并假设其接触均匀，则由图2可知，接触面的面积A为：2227.02700002900150mmmA则作用在接触面上的压力载荷P为：PaAWP78.9958927.024.26889考虑到结构和载荷的简化，将压力载荷放大20%，即有：PaPP736.1195072.1计综上所述，这样施加到机座用于有限元分析的载荷有3个：①弯矩：mNMx36.3437②压力：PaP736.119507计③机座自身的重力施加的位置如图1所示。3约束简化(1)机座与地面的约束图2电机及轮毂的受力结构示意图电机自重轮毂与叶片的重力第7页共46页当机座与地面的连接牢固时，可以假设机座与地面接触面的自由度完全限制，因此在分析时，将对机座与地面的接触面进行全约束。(2)机座对称面的约束由于结构的对称性，在分析时可以只要分析其中的一半即可，而在对称面上施加对称约束。施加约束的具体情况可参考图1上的说明。1.3.3建立有限元模型由于机座结构是采用薄板通过焊接而成，板的厚度与其长或宽的尺寸相比要小得多，因此在有限元分析时宜采用壳单元进行分析，根据壳单元的特性，在建立几何模型时，可采用其中性面建立。在这里，本人采用了ANSYS软件中的壳单元SHELL63；由于结构的不规则性较多，划分网格时采用自由划分，设置单元的长度为0.030单位，共划分了壳单元33345个，节点33589个，分析计算运行时间为378.77秒，其网格图如图3所示。1.4计算结果采用大型通用CAE软件ANSYS对图3所示的网格结构进行了分析计算，其计算结果如下，其中坐标系如图3所示。1.4.1变形结果1、X方向的变形分布云图在X方向的变形分布如图4a所示，其中最大的X方向变形发生在内筒体的中部偏下的位置。其中最大的位移为：mUx10731.042、Y方向的变形分布云图在Y方向的变形分布如图4b所示，其中最大的Y方向变形发生在内筒体的中部螺栓连接板的位置。其中最大的位移为：mUy002193.0，而其它位图3机座有限元分析的网格图XYZ第8页共46页置的位移主要介于m10494.0102.043之间3、Z方向的变形分布云图Z方向的变形结果如图4c所示，其中最大的Z方向变形发生在电机安装板的支撑板上，其值为：mUz10156.04，其它位置基本上位于510355.0～m10364.054、总变形分布云图机座的总变形结果分布云图如图4d所示，其中最大的变形值为mU002193.0，且发生在电机安装板的位置。内筒体与外筒体相比，其变形要大一些，基本上介于410122.0～m10244.03之间。对于外筒体而言，其筒体上部的变形要比筒体下部的变形要大。1.4.2应力结果1、X方向的应力分布云图如图5a所示为机座在X方向的应力等值线分布云图，其中最大的X方向拉应力和压应力均位于电机安装板的中心位置附近，最大拉应力为：Pax10153.09，最大压应力为：Pax10155.09，其余位置的应力基本介于810181.0～Pa10161.08之间(a)X方向的变形结果(b)Y方向变形的结果(c)Z方向的变形结果(d)机座的总变形分布图4机座变形等值线分布图第9页共46页2、Y方向的应力分布云图如图5b所示为机座在Y方向的应力等值线分布云图，其中最大的方向应力位于电机安装板与通风孔口的连接处，其值为：Pay10282.08，大多数位置的应力位于71064.2～Pa10506.07之间。3、Z方向的应力分布云图如图5c所示为机座在z方向的应力等值线分布云图，其中最大拉应力和压应力均位于电机安装板上，其最大拉应力的值为：Paz10104.09；最大压应力的值为：Paz10104.09。其它大多数位置的应力值均介于810115.0～Pa10117.08之间。4、Mises应力强度分布云图如图5d所示为机座的Mises应力等值线分布云图，其中最大应力位于电机安装板上，其值为：Pae10135.09。从图11可以看到，内筒体上的应力值要大于外筒体上的应力值。5、第一主应力分布云图如图6a显示了机座上第一主应力的等值线分布云图，其中第