基于ANSYS的大功率弹簧圆锥粉碎机主要零件的有限元剖析

 1ANSYS简介
    ANSYS是融结构，流体，电磁场，声场和耦合场剖析于一体的大型通用有限元剖析软件。它能与多数CAD软件界面实现数据的共享和交换，如Pro/Engineering，NASTRAN，Alogor，I-DEAS和AutoCAD等，是现代产品设计的高级CAD工具之一。
    ANSYS可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国际军工、电子、土木工程、生物医学、水利和日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性剖析、电磁剖析、计算流体力学剖析、设计优化、接触剖析、自适应网络划分以及利用ANSYS参数设计语言库扩展宏命令等功能。
    2弹簧圆锥粉碎机简介
    弹簧圆锥粉碎机主要有机架、皮带轮、水平轴、偏心套、上破碎壁（定锥）、下破碎壁（动锥）、液力偶合器、润滑系统、控制系统等几部分组成。其动锥固定在一个悬挂竖轴上，竖轴置于水平轴上的偏心套筒内。工作时，电动机带动皮带轮或联轴器旋转，从而通过水平轴、偏心套、悬挂竖轴迫使动锥沿着定锥内表面作旋摆运动。在动锥靠近定锥的区段，物料受到动锥的挤压、撞击和弯曲作用而破碎，形成破碎腔;在动锥偏离定锥的地方，已被破碎的物料在自重作用下从锥底卸出。粉碎机通过连续性的工作实现对石料的持续破碎。
    弹簧圆锥粉碎机的结构特点是所有主要功能部件都是独立的和分离的，只有当它们组成整体时才能完成机器的功能，如机器的架体与支承套的组合，调整套和支承套的组合，除在结构设计上采用了特殊的结构外，还必须设置一些可以锁紧的零部件。
    3大功率弹簧圆锥粉碎机主要零件及总体的设计
    因为ANSYS软件只能倒入立体图形进行剖析，所以在进行各零件的有限元剖析之前必须先做出各零件的立体造型。
    利用inventor的三维立体造型功能做出个零件的三维造型。装配设计主要是进行零部件的装配和编辑，是基于装配关系的关联设计。在inventor装配环境中，可将已有零部件装入并进行组装，检查各零部件的设计是否满足设计需要，并对不合要求的零部件进行修改，也可以在该环境中结合现有的零部件及其装配关系创建新的零部件。此外，部件装配设计也是创建表达视图，动画，装配工程图等的基础。
    在此环境中，可以装入已有零部件，创建新的零部件，对零部件进行约束，管理零部件的装配结构等关系。
    3.1总体设计
    3.2主轴
    3.3圆锥破碎壁
    4大功率弹簧圆锥粉碎机主要零件的材料性能常数
    4.1主轴的料性能常数
    主轴的材料为35SiMn2MoV，弹性模量为E=206GPa，泊松比为μ=0.3，密度为ρ=7.9×10^(3)kg/m3，所受破碎力为300MPa。    4.2圆锥破碎壁材料性能常数
    圆锥破碎壁的材料为ZGMn13，弹性模量为E=600GPa，泊松比为μ=0.22，密度为ρ=7.98×103kg/m3，所受破碎力为300MPa。
    5基于ANSYS的有关弹簧圆锥粉碎机的有限元剖析
    5.1 ANSYS基本剖析过程
    一般而言，ANSYS的基本剖析过程可以分为三步，即：前处理；施加载荷与求解；后处理。
    5.2主轴的有限元剖析
    5.2.1主轴的static静态剖析
    （1）把用inventor做出来的主轴的立体造型另存为sat格式。因为ANSYS没有inventor界面，不能直接导入inventor的档，必须先把inventor的档另存为一个ANSYS能识别的副本。
    （2）等待系统计算并生成网格图形。
    （3）在剖析过程的相关步骤中输入主轴材料的性能常数。主轴的材料为35SiMn2MoV，弹性模量为E=206GPa，泊松比为μ=0.3，密度为ρ=7.9×103kg/m3，所受破碎力为300MPa。主轴受力时的固定面为顶部和底部，受力面为主轴和圆锥躯体接触的部分，即从顶部往下数第三四五节。选择剖析类型为static静态剖析。
    （4）主轴受力后的应变图和应力图，受力后的变形情况和未受力时的形状以网格形式表示，前后对比。由应变图知，主轴*大的位移DMX为66.457mm，*大应变SMX为66.457mm/m2，由应变下方的标尺可知，主轴受力后，*大变形发生在和圆锥躯体接触的部分也就是主要受力的部分，*小变形发生在顶部和底部，也就是完全固定的部分。
    由应力图主轴受到的*大应力SMX为0.409×1011Pa,*小应力SMN为0.88×108Pa，由图下方的标尺可知，主轴受力后，受力*大处为其与圆锥躯体接触的部分，尤其是与圆锥躯体接触的**节，也就是从左上方数的第三节。
    根据主轴变形前后情况的对比可知，虽然仅仅观察主轴受力后的形状时，看不出主轴的明显变形，但是和变形前的原来的形状一比较就可以发现主轴还是有较明显的变形的。主轴变形的形式是向轴线凹陷，应该是受压迫作用。工作时主轴绕固定轴线做偏心转动，通过改变圆锥破碎壁和破碎腔的空间大小来达到碾碎物料的作用，主轴上连接圆锥躯体和圆锥破碎壁，它们之间不通过键连接，圆锥躯体和圆锥破碎壁根主轴之间的运动关系是随动，它们和主轴的运动并不一致。可看出主轴是粉碎机工作时的主要受力元件，所以主轴失效的事故常有发生，这和粉碎机显示的工作情况相符。
    5.2.2主轴的modal模态剖析
    （1）接着静态剖析往下做，将主轴变回网格造型。主轴受力时的固定面为顶部和底部，受力面为主轴和圆锥躯体接触的部分，即从顶部往下数第三四五节。选择剖析类型为modal模态剖析。
    （2）在模态剖析中选择6阶，观察第4阶的剖析结果。
    （3）主轴受力后的变形情况和轴变形前后的形状，以网格形式显示。
    由图知，模态剖析中的主轴受力后变形较静态剖析时明显，变形程度较大。因为是受到以三角函数形式变化的载荷的作用，主轴也呈现出振动的变形特点，呈现扭曲的形状，变形十分明显，*大位移DMX为0.123×10^(-5)mm，*小应变SMX为0.123×10-5mm/m2。由图下方的标尺知道主轴变形*大的地方是主轴和圆锥躯体接触的地方，即从左上方往下数第三节到第四节，第五节，形变也比较大，但是比第三四节要小，而这三节是相对来说形变*大的几节，也就是说主要受力的部分就是形变*大的地方。变形*小的地方是被固定的顶部和底部，应变为0。
    根据主轴变形前后的情况对比可知，主轴在模态剖析的状态下，变形十分明显，偏离原来形状的程度很大，模态剖析状态下，主轴呈现出振动的特点，即受拉伸也受到压迫作用，主轴在以三角函数形式变化的载荷的作用下，近乎扭曲，如果选择材料不当，主轴很容易失效。主轴是粉碎机工作部分即破碎圆锥部的主要工作构件，在工作时受到很大的破碎力，是*容易失效的构件，这和在静态剖析与模态剖析中得出的主轴的变形都很明显的结论相符。通过和下面圆锥破碎壁与圆锥躯体的变形情况对比，可知主轴变形在三个破碎圆锥部中的主要构件中是*明显的。
    5.3圆锥破碎壁的有限元剖析
    5.3.1圆锥破碎壁的static静态剖析
    （1）在剖析过程的相关步骤中输入圆锥破碎壁材料的性能常数。ZGMn13的弹性模量为6E11Pa，泊松比为0.22。密度为7980kg/m3。破碎力是300MPa。圆锥破碎壁的底部为受力中的固定面，受力面为与圆锥躯体接触的部分即它的整个锥面。选择剖析类型为static静态剖析。等待系统计算并生成网格图形。
    （2）圆锥破碎壁受力后的应变图和应力图，受力后的变形情况和未受力时的形状，变形前后对比。
    由应变图知，圆锥破碎壁*大的位移DMX为5.658mm,*大应变SMX为5.658mm/m2，由应变下方的标尺可知，圆锥破碎壁受力后，*大变形发生在和圆锥躯体接触的部分也就是主要受力的部分即锥面的上半部分，而整个锥面也是相对变形较大的部分，*小变形发生在底部，也就是完全固定的部分。
    由应力图知，圆锥破碎壁受到的*大应力SMX为0.893×1010Pa，*小应力SMN为0.107×10^(7)Pa，由图下方的标尺可知，圆锥破碎壁受力后，受力*大处为其与圆锥躯体接触的部分，即整个锥面，受力*小的地方是被完全固定的底部，几乎为0，而且由图知道，圆锥破碎壁的受力比较均匀，受力*大处不是太明显。这种受力状况应该是比较理想的。
    根据圆锥破碎壁变形前后的形状比较，可以知道圆锥破碎壁的变形形式是整个锥面以对称的方式向外延伸，近乎膨胀，由此可推测，圆锥破碎壁受到拉伸作用。圆锥破碎壁的作用主要是碾碎物料，在工作中受到的力还是很大的，所以通过比较受力前后的形状，虽然它叫主轴变形没有那么明显，但还是不难观察它的变形。
    5.3.2圆锥破碎壁的modal模态剖析
    （1）接着静态剖析往下做，将圆锥破碎壁变回网格造型，圆锥破碎壁的底部为受力中的固定面，受力面为与圆锥躯体接触的部分即它的整个锥面。选择剖析类型为modal模态剖析。
    （2）在模态剖析中选择6阶，观察第4阶的剖析结果。
    （3）圆锥破碎壁受力后的变形情况和变形前后的形状，依次如下图所示。由图知，模态剖析中的圆锥破碎壁受力后变形较静态剖析时明显，变形分布的情形也大不相同，而且变形程度较大。*大位移DMX为0.143×10^(-5)mm，*小应变SMX为0.143×10^(-5)mm/m2。由标尺知道圆锥破碎壁变形*大的地方是圆锥破碎壁和圆锥躯体接触的地方，和静态剖析时的应变状况相似，变形较大的地方集中在整个锥面及主要的受力面，变形*大的地方是锥面上的中间的一小部分圆形的地方，前后对称。变形*小的地方是被固定的底部，应变为0。这种应变的情况较静态剖析时的情况没有那么理想。
    根据圆锥破碎壁变形前后的形状比较，可知圆锥破碎壁的变形形式是整个锥面以对称的方式向里凹陷，由此可推测，圆锥破碎壁受到压迫作用。圆锥破碎壁的作用主要是碾碎物料，在工作中受到的力还是很大的，所以通过比较受力前后的形状，虽然它较主轴变形没有那么明显，但还是不难观察它的变形。
    6结论
    在使用ANSYS的过程中，*大的考验和困难就是为导入的零件三维模型划分网格。它需要在理想的条件下完成对零件的各种剖析，所以如果零件的模型太复杂，特别是倒角太多时，就会划分失败。因此这个软件适用于不太复杂的零件的剖析。
    在使用这个软件时的第二个重点是选择零件的建模方式，ANSYS的建模方式有很多种，有壳式的，也有实体，因为零件都是不太复杂的零件，所以在选择建模方式时都选择实体，Brick里的8node 45或20node 186，但是后者相对建模太细致，可能会导致划分网格失败。不过就相对精确。    ANSYS可以为用户显示剖析构件变形前后的形状对比，让用户很直观地观察构件的变形情况。可能在剖析零件的应力应变时会觉得这个构件受力后没有变形，但是根据理论计算的知识，构件在受到那么大的破碎力的时候肯定会有所变形，这时就需要认真比较构件受力前后的形状，从而肯定自己的想法，构件是有变形的，只是变形大小的问题。通过比较，可以知道构件变形大不大，是否容易在工作中失效，再跟实际情况相比较，进行更深入地研究。