万方数据
2004年7月邓晓明等:基于ProE的超剪切设备关键结构的有限元分析‘197‘ 2关键结构转子的特征建模
特征建模【4J是建立在实体建模的基础上,在已有的几何信息上附加诸如形位公差、尺寸公差、表面粗糙度等信息。特征主要分为形状特征、装配特征、精度特征、材料特征等。形状特征描述零件的几何形状信息,是零件最基本的特征;装配特征表达零件的装配关系以及在装配过程中所需的信息;精度特征主要描述零件的几何形状和尺寸的许可变动量或误差;材料特征描述材料的类型与性能。
依据特征分解【5J的原则并结合ProE的建模功能,将超高速转子特征分解如下: ①基圆盘特征。由一个特征半径形成转子的盘体,可用拉伸和旋转方法建立。
②单齿基本齿廓特征。主要由一个特征圆心角形成的扇形截面构成,可用切除方法建立。
③整圈齿廓特征。由周向均布的单齿基本齿廓特征组成,用于形成周向梳条状的齿,可用阵列方法建立。
④辐条筋板特征。为了减小转子的质量及超高速下的转动惯量,将传统的实体底盘更改为辐条筋板特征,替代转子、叶轮分体式的结构,可用切除方法建立。
利用PmE丰富的特征建模功能将转子进行特征分解后,建立各个子特征,对这些子特征进行布尔运算,就形成关键结构转子的模型,如图2所示。
图2关键结构转子模型图 3有限元分析
江南大学设计制造的高速超剪切分散细化设备的关键元件是转子,其转速为3×104r/IIlin,在这样高的转速下,为了减小转子的转动惯量及质量,底盘不采用实体圆盘状,而在其背后采用辐条筋板结构,这时若要用解析法计算位移变形及应力分布就十分困难了,同样若要用解析法计算整个转子的前四阶固有频率也十分困难,而这些数据在设计过程中是必要的。准确获得以上技术参数最有效的方法就是应用有限元分析方法。
3.1有限元模型的建立
高速超剪切分散细化设备的关键元件是定子和转子,其结构为对称形式,整体模型也为周向均布且以长孑L型转子最为典型,根据ProE特征建模方法建立的关键结构转子模型的主要技术参数为:内腔轴径d为22mm,齿圈均匀分布有20个梳状齿,外圈直径d。为81.2mm,各部分厚度(包括筋板与齿厚均为6mm,齿深^为16mm。再将已建立好的三维模型导人有限元分析软件ANSYS中,从而形成有限元模型。
3.2有限元单元的确定及网格的划分
选用ANsYS软件中的SOLID45单元对转子进行离散化网格划分,sOLID45单元是三维8八节点单元,具体地说是指8个八节点的六面体的等参基本单元映射成8节点的等参实际单元,此单元是分析弹性结构空间问题中应用较为广泛的一种单元。由于采用了八节点的单元,故可利用更复杂的形状函数,因而就达到了结构对实际变形的一个更准确程度的表达,计算精度较高。在ANsYs中对实体模型进行网格划分后共有5215个节点,如图3所示。
图3有限元网格划分图 3.3静态分析
关键元件转子在超高转速驱动下,受到应力作用后必会变形,而且其应力变形具有不均匀性。所以只要寻找应力变形最值点,便可了解其应力分布情况。转子材料为高强度合金不锈钢,将材料的特征参数(弹性模量为2×1011Pa,密度为7800kg/m3,泊松比为0.3和转速输入ANsYs中,求解转子在高速转动时的应力变形值。变形结果如图4所示,其圈齿顶部的最大径向位移为0.155mm。
图4
转子应力变形分布图 万方数据 ?198?
现代化工第24卷增刊(1
转子高速转动时的应力分布结果如图5所示。 图5转子振动模态应力分布图