基于有限元的锁环静态分析与结构优化

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Static Analysis and Structure Optimization of Lock Ring Based on Finite ElementLI Pan。XUE Xiao-ning(College ofEngineering，Guangdong Ocean University，Zhanjiang Guangdong 524088，China)Abstract：Taking disc separator as research object，aiming at the characteristic and mechanical performance of lock ring ofdrum，a geometric model and finite element model of lock ring aye established.Finite element simulation software is used tocarry out stress analysis of lock ring under static load.Based on the results of the analysis，multi-objective optimization of thelock ring geometry is designed，which can meet the demands on strength and reduce the quality of the lock ring。

Key words：disc separator；drum；lock ring；optimal design1 前 言碟式分离机工作时转鼓高速旋转，利用离心力实现物料的连续高效分离，如图 1所示乳胶分离机转鼓由100多个零件组成，整个转鼓依靠锁环螺纹将转鼓底、转鼓顶等连接成-体，在影响转鼓及整机安全性的3个零部件转鼓底、转鼓盖和锁环中，锁环最为薄弱 ，发生安全事故后造成的危害性最大，在高速状态下其受载状态十分复杂，对其受载状态进行研究十分必要，尚未见到国外锁环强度分析方面的研究的报道，经典弹性力学理论不能有效解决复杂结构应力分析，本文利用有限元法对锁环结构进行有限元分析。

图 1 碟式分离机转鼓剖视图1.转鼓底 2.碟片组 3.锁环 4.密封圈 5.转鼓盖 6.碟片压盖 7.螺塞 8.进料管 9.端螺母 10.圆柱销 11.螺钉2 锁环结构静态应力有限元分析2.1 确定锁环结构几何参数碟式分离机转鼓主要由转鼓底、碟片组、碟片压盖、转鼓盖、喇叭管、锁环等零部件组成。本文将利用有限元对锁环进行结构应力分析与参数优化4j，锁环结构如图 2所示，相关几何参数如下：d.33.5mm，d415.5 mnl，d557.5，d614 Inn，d794.5mm，d 221 mm；螺纹为矩形单线螺纹。

图2 锁环结构二维图2.2 建立三维实体模型锁环为轴对称模型，利用 CAD建模软件建立锁环实体模型，为减少计算时间，提高分析效率，柔构1/4分析，其实体模型如图3(a)所示。

2.3 建立有限元模型定义材料属性：锁环材料为 35 CrMo，其弹性模量(杨氏模量)为E2.06 GPa，泊松比为 0.3，密收稿日期：2013～03-15作者简介：李 盼(1987-)，男，湖南张家界人 ，硕士，研究方向：产品数字化设计与制造技术。

通讯作者：薛晓宁(1962-)，男，副教授，研究方向：高速旋转机械设计。

· 6·· 杌械研究与应用 ·2013年第2期(第26卷，总第124期) 研究与分析尺寸及质量减少，强度得到提高。

表2 锁环优化候选设计点4 结 语建立了碟式分 离机转鼓锁 环的三维实体模型，在 ANSYS Workbench环境里进行了有 限元结构静力学分析 ，得到锁环应力 与变形分布云图。

根据分析结果 ，确定了优化设计变量与 目标函数，进行锁环参数优化设计，通过优化分析 ，锁环质量、最大等效应力、最大几何变形量均有所 降低。

本文分析方法及结论对分离机设计及强度优化具有借鉴价值 。

· l1.·。 l- .1. 。。lilt· 。 。IIl- 。IIII-·。.1·”III1. 。 -lilt· · I I(上接第5页)6 设计改进根据分析计算结果，对伸缩斗杆的几何形状进行多次更改并多次计算，得到了比较满意的改进后结果，如图5所示。

图 5 改进后斗杆伸出状态偏载工况应力改进后的铲斗油缸支座耳板处的最大应力从414.64 MPa下降到232.93 MPa。下斗杆侧板上部的最大应力从 305.25 MPa下降到 217.24 MPa。基本满足预定要求。