机械加压脱水设备钢架结构有限元分析及优化设计.pptxVIP

过滤与分离 Journal of Filtration Separation· 30 ·2010 Vol.20 No.1机械加压脱水设备钢架结构有限元分析及优化设计 陈 聪，戴凌汉 (北京化工大学 机电工程学院，北京 100029) 摘 要： 提出了一种机械加压式脱水设备中钢架结构的设计分析方法。 在 ANSYS 软件环境下，运用shell63 壳单元进行建模，对重载作用下的钢架进行强度校核和分析，并对钢架结构进行优化设计。参考分析设计标准，校核数值模拟结果，表明设计方案满足设计要求，为设计方案的可靠性提供了依据。 在满足强度设计要求的条件下，优化设计为整个设计方案节省了材料，降低制造成本。该方法为设备其他部件的设计提供了参考。 关键词： 钢架结构； shell63 单元；有限元；优化设计中图分类号： TQ051.8文献标识码： A文章标号： 1005-8265 （2010 ） 01-0030-04竖直方向上的两个相对的油缸输出的压力。过滤部件在过滤过程中形成一个挤压腔室，通过油缸输出的高压，使得物料受到越来越大的压力，从而实现挤压脱水[2]。 钢架位于过滤组件的外部，起着支撑内部过滤部件和承受油缸反作用、 以及连接其他过滤单元的作用。钢架结构的外部尺寸约为 1.4×2.4×3.4 m，立柱与横梁，支撑与立柱和横梁之间为刚接。 本文中机械加压过滤单元的钢架底部焊有底板，结构不连续处还焊接有加强筋板以减小应力集中，底板通过预埋地脚螺栓和地面连接在一起。立柱与横梁和纵梁之间，横向内撑、纵向内撑与立柱、 横梁、 纵梁之间通过高强度螺栓或焊接连接成为一个整体。钢材选用 Q345-D 方形空心型钢，立柱初选尺寸规格为 110×9 mm，纵梁和横梁初选规格为 80×8 mm。按照工艺需求，油缸输出压力为502 660 N，油缸通过其本身的法兰与钢架连接，钢架承载了油缸的反作用力。钢架的结构以及钢架的受力工况和约束加载情况如图 1 所示。2 支承钢架的静力分析和强度校核 油缸在工作中主要为在竖直方向的往复运动，本文重点研究整个钢架在油缸压力输出最大时的应力情况，并进行校核。2.1 支承钢架有限元模型的建立 机械加压污泥脱水单元工作中，油缸的工作状态比引言 机械加压式脱水机可用于污水污泥处理，也可用于食品和制药工业的固液分离。 近年来，国内外出现了许多种结构的机械加压脱水机。 但是，就目前已经面世的机械加压脱水机来讲，它们所存在的问题在于处理能力有限，结构设计有待改进，整机用材趋于保守。在结构设计上还存在可以改进的地方。由于本次设计的机械加压脱水设备具有高压处理和模块化组装的特点，可根据各个污水处理厂的处理量进行单元配置，这就对污泥处理单元的外部钢架结构提出了比较高的要求。钢架位于过滤组件的外部，起到固定支撑的作用。钢架是一个静不定系统，以往的设计凭经验，由于不定方程多，求解困难[1]。 现在多采用有限元法，而通过有限元建模分析，多采用梁单元进行分析，存在一定的误差，也不方便结构的优化设计。 本文针对上述问题提出一种较为先进的钢架校核和设计方案，利用通用有限元软件 ANSYS 对典型承载结构—支承钢架进行重载荷作用下的强度校核，并基于 ANSYS 的结构优化设计程序，在一定的强度设计要求下，对钢架结构进行优化设计，为钢架设计的可靠性提供一定的依据，也为设备其它部件的设计提供了参考。1 机械加压脱水单元结构简介 机械加挤压脱水设备单元中，脱水的驱动力来自收稿日期： 2010-01-08作者简介： 陈聪（1985- ）男，硕士生研究方向：化工设备设计.过滤与分离 Journal of Filtration Separation· 31 ·2010 Vol.20 No.11AREASTYPE NUMUROTPRES-NORM-3 图 1 钢架结构及受力、 约束加载情况较平稳，往复运动的平均速度约为 2 cm/s，故可以近似图 3 （膜+弯）应力强度分布云图的认为各部件承受的载荷都是静力，对钢架整体进行静力分析。静力分析用于求解静力载荷作用下结构的应力和位移等。根据结构特点，钢架可看作薄壁结构，本文采用 shell63 单元对钢架结构进行网格划分，划分结果如图 2 所示。Shell63 是 ANSYS 中的弹性壳单元，其既具有弯曲能力又具有薄壁效应，可以承受平面内载荷和法向载荷。 采用 shell63 单元来建模的主要优点就是节省计算时间，并且增加计算精度[3]。 1 图 4 （膜）应力强度分布云图 力云图[3]，如图 4 所示；选择 “Top layer” 或 “Bottom lay－ er” 之中的较大者为膜应力加弯曲应力的应力云图，如 图 3 所示。 通过云图可以看到，整体的应力强度较小，主要的 应力集中存在于钢架连接的不连续区域，一次局部