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试述齿轮基于有限元碟式分离机应力和结构优化站

收藏本文 2024-02-01 点赞:22348 浏览:96982 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:随着全球能源与环保行业的迅猛进展以及国际形势日益复杂化,国防、冶金、食品、化工、核工以及药剂等行业高品位、高纯净的需求凸现和低碳经济全球化;分离机械工业越来越受到各国的重视,对于碟式分离机来说,其生产数量与运用规模已经远超其他类型连续离心机总和,正常工作历程中,机器的结构安全性和加工稳定性显得尤为重要;针对当前碟式分离机转速不断提升、结构系统日益复杂化,采取经典弹性力学论述不能满足设计需要等不足;本论文以LX-460型胶乳碟式分离机为探讨对象,以提升结构安全性、降低应力水平为目标,结合有限元浅析与论述计算,对其主要结构应力特性进行探讨,提升分离效率与整机性能、降低劳动强度、增大生产能力。本论文对碟式分离机结构进行探讨的主要工作及所得探讨结果如下:(1)转鼓结构应力特性探讨探讨转鼓工作转速空转状态与工作状态两种工况的结构应力特性,确定有限元浅析约束条件,建立浅析计算模型,比较转鼓两种工况下的应力分布规律;构造几何路径,探讨转鼓螺纹牙、排料口等高应力区域的局部应力;转变工作转速,浅析各工况结构应力与工作转速的变化规律;建立转鼓接触计算模型,进行有限元接触浅析,探讨接触浅析历程中,不同刚度系数Knormal对接触模型计算速度与收敛曲线变化规律的影响,确定最优刚度。探讨表明:结构整体应力水平分布不均,转鼓筒体沉渣区、转鼓侧壁、螺纹牙等位置局部应力水平很高,应采取结构优化等手段,考虑以降低结构应力集中、改善结构强度、结构轻量化等方面进行设计。(2)螺旋齿轮应力特性探讨参数化构建螺旋齿轮实体模型,针对空间点接触类型的特殊性,建立啮合传动有限元计算模型,进行三维接触浅析,比较不同齿对数啮合,接触应力变化情况;确定导热系数、对流换热系数、温度场约束条件,考虑螺旋齿轮啮合传动发热对胶合、齿面磨损、点蚀等失效形式的影响,将温度作为热载荷,进行热弹耦合浅析,探讨耦合场载荷分布规律。探讨表明:不同齿对数接触,齿面接触应力分布规律基本相同,点接触条件下,耦合场应力水平较高,轮齿发热加剧了齿轮磨损速度,极大地影响了啮合效率,脉动循环交变应力引起齿轮、轴承的振动,导致转鼓不平衡,引起严重的后果。应优化结构参数,降低闭式齿轮箱发热及轮齿受载状态,提升传动效率。(3)评估有限元计算结果及强度校核采取无力矩、有力矩论述浅析转鼓鼓壁以及边缘效应区的强度不足,论述浅析螺旋齿轮的齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度,将论述计算结果与有限元浅析结果进行比较,验证有限元建模浅析计算策略的正确性,结合安定性原理及结构强度评定准则,进行强度评定,校核结构强度的安全性。探讨表明:有限元法与现有论述策略得到的转鼓、螺旋齿轮应力分布规律基本接近,相对误差在20%以内,验证了有限元建模浅析策略的正确性,通常情况下,论述策略进行应力计算与结构设计比较保守,通过结果比较,发现有限元法浅析结构应力值比论述值稍大,这与现实相符,说明采取有限元法设计分离机结构更具先进性,有限元值进行强度校核,结构强度满足要求。(4)结构多目标驱动优化设计利用ANSYS Workbench环境中的多目标驱动优化技术(GDO),对碟式分离机转鼓锁环与螺旋齿轮进行多目标驱动优化设计浅析,以安全性、经济性出发,结合优化目标函数敏感性浅析与参数响应性浅析,合理优化结构几何参数与性能参数,进行有限元浅析与结构设计,比较优化前后结构目标函数的变化规律,确定最优结构参数。优化表明:优化后的结构应力分布相比较较均匀,应力集中减小,最大等效应力显著降低,材料消耗减少,结构综合性能得到一定的提升,对碟式分离机结构优化以及整机可靠性提升具有一定的价值。关键词:碟式分离机论文有限元浅析论文转鼓论文螺旋齿轮论文优化设计论文

    摘要4-6

    Abstract6-12

    1 绪论12-19

    1.1 碟式分离机简要概述12-13

    1.1.1 碟式分离机工作原理介绍12

    1.1.2 碟式分离机主要结构及性能特点12-13

    1.2 本论文探讨目的与作用13-14

    1.2.1 本论文探讨目的13-14

    1.2.2 本论文探讨实际作用14

    1.3 国内外探讨近况与进展动态浅析14-17

    1.3.1 国内外碟式分离机设计、制造进展近况14-15

    1.3.2 国内外转鼓结构应力及强度探讨近况15-16

    1.3.3 国内外螺旋齿轮应力及强度探讨近况16-17

    1.4 本论文主要探讨内容17-18

    1.5 本章小结18-19

    2 转鼓应力特性探讨19-41

    2.1 引言19-20

    2.2 转鼓结构载荷论述浅析20-24

    2.2.1 空转工况结构受力浅析20

    2.2.2 加载工况结构受力浅析20-22

    2.2.3 转鼓相互约束载荷论述浅析22-24

    2.3 转鼓静力学有限元浅析计算模型24-29

    2.3.1 结构静力学有限元浅析基础24

    2.3.2 转鼓实体模型构建24-25

    2.3.3 转鼓有限元计算模型构建25-27

    2.3.4 转鼓几何边界条件约束27-28

    2.3.5 转鼓载荷约束28-29

    2.4 转鼓结构静力场有限元浅析29-31

    2.4.1 同一工作转速下结构应力特性探讨29-31

    2.4.2 不同工作转速下结构应力特性探讨31

    2.5 转鼓局部应力特性有限元浅析31-35

    2.5.1 转鼓筒体螺纹连接位置局部应力分布32

    2.5.2 转鼓顶盖重相排料口局部应力分布32-33

    2.5.3 锁环螺纹牙根部应力分布33-35

    2.6 转鼓三维有限元接触浅析35-40

    2.6.1 有限元接触浅析计算模型建立35-36

    2.6.2 接触行为联系设置36

    2.6.3 约束边界条件施加36-37

    2.6.4 有限元接触浅析计算结果37-38

    2.6.5 不同接触刚度系数对接触浅析的影响38-40

    2.7 本章小结40-41

    3 圆柱螺旋齿轮啮合传动应力特性探讨41-59

    3.1 引言41

    3.2 圆柱螺旋齿轮啮合传动力学浅析41-44

    3.2.1 不考虑摩擦时螺旋齿轮受力浅析41-42

    3.2.2 考虑摩擦时螺旋齿轮受力浅析42-43

    3.2.3 齿间滑动速度与啮合效率浅析43-44

    3.3 参数化三维圆柱螺旋齿轮实体几何模型44-48

    3.3.1 参数化建模原始数据44-45

    3.3.2 螺旋齿轮渐开线方程45-46

    3.3.3 螺旋齿轮螺旋线方程46

    3.3.4 螺旋齿轮齿根过渡曲线方程46-48

    3.4 圆柱螺旋齿轮啮合历程有限元接触浅析48-52

    3.4.1 不同齿对数实体接触模型建立48

    3.4.2 不同齿对数有限元模型网格划分48-49

    3.4.3 接触行为联系设置49

    3.4.4 边界条件约束与载荷施加49-50

    3.4.5 不同齿对数啮合有限元接触浅析结果50-52

    3.5 圆柱螺旋齿轮热弹耦合有限元浅析52-58

    3.5.1 耦合场热浅析类型52-53

    3.5.2 耦合场热载荷计算53-54

    3.5.3 耦合场约束边界条件54-56

    3.5.4 热-力载荷共同作用热弹耦合结构特性计算56-58

    3.5.5 多场工况下的计算结果浅析58

    3.6 本章小结58-59

    4 碟式分离机关键件有限元计算结果验证及强度评定59-77

    4.1 引言59

    4.2 转鼓结构强度论述计算59-66

    4.2.1 空转状态鼓壁强度计算59

    4.2.2 加工物料等载荷离心压力引起的鼓壁强度计算59-60

    4.2.3 转鼓筒体沉渣位置边缘效应区强度计算60-63

    4.2.4 转鼓顶盖与锁环边缘联接强度计算63-64

    4.2.5 转鼓筒体与锁环边缘联接强度计算64-66

    4.3 转鼓结构有限元仿真浅析结果验证与强度评定66-72

    4.3.1 鼓壁区域有限元计算结果与论述值比较浅析66-68

    4.3.2 边缘效应区有限元计算结果与论述值比较浅析68-69

    4.3.3 强度评定准则69-70

    4.3.4 转鼓鼓壁结构强度评定70-71

    4.3.5 边缘效应区当量应力结构强度评定71-72

    4.4 螺旋齿轮啮合传动强度论述计算72-75

    4.4.1 螺旋齿轮啮合传动基本原理72

    4.4.2 螺旋齿轮啮合传动特点72-73

    4.4.3 齿面接触疲劳强度计算73-74

    4.4.4 齿根弯曲疲劳强度计算74-75

    4.5 螺旋齿轮啮合传动有限元仿真浅析结果验证与强度评定75-76

    4.5.1 螺旋齿轮啮合传动有限元计算结果与论述值比较浅析75

    4.5.2 螺旋齿轮啮合传动结构强度评定75-76

    4.6 本章小结76-77

    5 基于有限元的碟式分离机结构多目标驱动优化77-94

    5.1 引言77-78

    5.2 结构参数优化数学模型78

    5.3 多目标驱动优化参数设置78-82

    5.3.1 多目标优化几何模型78-80

    5.3.2 优化设计变量80

    5.3.3 优化目标函数80-81

    5.3.4 优化状态变量81-82

    5.4 结构参数设计点结果浅析82-85

    5.4.1 锁环参数设计点与目标函数变化情况82-84

    5.4.2 螺旋齿轮参数设计点与目标函数变化情况84-85

    5.5 结构参数敏感性浅析85-86

    5.5.1 锁环设计变量与目标函数的敏感性浅析85-86

    5.5.2 螺旋齿轮设计变量与目标函数的敏感性浅析86

    5.6 优化参数响应性浅析86-91

    5.6.1 设计变量参数与锁环冯·米塞斯等效应力的变化联系87-88

    5.6.2 设计变量参数与锁环质量的变化联系88-89

    5.6.3 设计变量参数与螺旋齿轮冯·米塞斯等效应力的变化联系89-90

    5.6.4 设计变量参数与螺旋齿轮质量的变化联系90-91

    5.7 多目标驱动优化浅析候选设计点最优案例确定91-93

    5.7.1 锁环多目标驱动优化最优设计案例91-92

    5.7.2 螺旋齿轮多目标驱动优化最优设计案例92-93

    5.8 本章小结93-94

    6 总结与展望94-96

    6.1 本论文工作总结94-95

    6.2 本论文不足之处与展望95-96

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