文档介绍：大型振动筛动态有限元分析
振动筛广泛用于煤炭、冶金、石油、交通运输等工业部门。随着生产效率的提高,振动筛向着大处理量、高效率和大型化的方向发展,一些大型振动筛在使用过程中出现筛箱振动超限,侧板、横梁、筛板断裂等问题。除了制造、材料和使用不当等原因外,设计因素不可忽视。目前振动筛结构设计中,力学分析多集中在静力学以及模态分析方面,对结构动力响应分析不够,主要是由于传统的有限元模型采用实体单元模型,计算规模庞大,一般 PC 机上无法实现对大型振动筛动力响应分析。因此对大型振动筛结构建立合理有限元模型的研究就显得尤为重要。
本文以某大型直线振动筛为例,提出一种以梁壳单元为主的有限元模型(以下简称梁壳单元模型),研究建模中的关键技术问题。结合理论分析及实验模态分析,比较采用梁壳单元模型与传统实体单元模型进行大型振动筛结构动态有限元分析结果,讨论两种有限元模型的精度及计算规模和计算时间。
传统方法使用实体单元建立有限元模型。根据实际结构,建立几何体模型,通过布尔操作在连接处生成公共边界,连接各几何体。使用四面体实体单元对整体结构进行网格划分,生成有限元模型。实体单元模型建模直观,能够较好地模拟实际几何结构,但大型振动筛结构复杂,划分网格后生成有限元模型单元数量多,模拟计算消耗大量计算机资源,一般 PC机无法处理。
梁壳单元模型
根据振动筛实际结构及受力特点,采用壳单元及梁单元分别模拟薄板结构和梁结构;对焊接连接和螺栓连接使用自由度耦合和约束方程技术将独立划分网格的各结构件进行合理的连接;建立刚性区,合理施加激振力载荷。建立的有限元模型如图2 所示。
由于各薄板结构均是独立划分网格,需要进行合理的连接处理。对侧板与补强板、法兰等结构螺栓的连接处理中,在结构实际螺栓位置建立硬点,划分网格时该位置能够强制生成节点,将处在同一螺栓位置的节点(分属于侧板、补强板或法兰)自由度耦合,实现螺栓连接,如图4 所示。
梁结构模型建立及连接处理
振动筛梁结构中包括入料梁、出料梁、横梁、加强梁等,采用梁单元模拟梁结构。实际结构中各梁上的槽钢有开口作为滑道槽,筛板与横梁通过螺栓进行连接。在模型建立中,考虑到实际螺栓滑道槽不能忽略,对该梁单元自定义截面形式,建立不同的横梁截面,通过计算将横梁截面的形心进行偏置,实现了用变截面梁模拟振动筛实际梁结构。整个有限元模型共建立7 种不同形式的自定义截面,图5 为出料梁的两个不同截面。
大型振动筛结构中梁与法兰通过焊接连接到一起,在模型中,将梁单元靠近法兰一侧的节点作为主节点,与实际结构中法兰与横梁焊接位置的节点建立刚化区,实现梁与法兰的焊接连接,如图 6 所示。入料梁、横梁及加强梁等梁结构处理方式与出料梁一致。
激振力载荷施加
大型振动筛采用一组异向自同步电机带动偏心块相向旋转产生定向简谐激振力。振动器与侧板通过螺栓连接,使筛箱作定向往复直线运动。
在模型建立中,每个激振器中心处首先建立一个质量点,模拟激振器的质量,旋转节点坐标系实现沿任意角度的激振力施加,将该质量点与振动器和侧板的螺栓连接位置的节点建立刚性区,激振力施加在质量点上。
模态分析
对图1 所示振动筛结构,分别采用前述两种方式建立的有限元模型进行模态分析,得到前十阶固有频率,见表1。两模型