搜索基于proe與ANSYS的橡膠擠出機螺桿強度的分析
2013-06-17 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
螺桿是橡膠擠出機最重要的工作部件,其結構和參數(shù)選擇是否合理直接影響機器的工作性能。目前常用的普通螺桿包括等深等距、等深不等距、等距不等深3種螺桿。在螺桿設計中,螺桿的結構和幾何參數(shù)確定以后,就必須對其進行強度計算。傳統(tǒng)的理論計算繁瑣,精確低,已經(jīng)不能滿足要求。本研究通過proe三維軟件進行實體建模,導人ANSYS Workbench仿真平臺進行有限元分析,得到螺桿強度的應力(馮·米塞斯)分布圖,并結合由proe計算得到的螺槽體積,對比得出3種螺桿的最優(yōu)方案。
1 螺桿三維模型建立
3種螺桿均為雙頭螺紋,幾何壓縮比田相同,其參數(shù)見表1.
利用proe三維軟件建立了3種螺桿的三維模型,然后直接通過ANSYS Workbench與proe的集成接口將三維模型導人到ANSYSWorkbench中。為了減少計算時間以及受計算機硬件影響,在能精確反映結構的實際情況前提下,將花鍵、導角以及部分小角度尺寸忽略。螺桿的材料選擇為38CrMoAlA.
2 結果分析
膠料在擠出機內流動的過程中,由于受到機頭內腔道的阻力和螺桿的壓縮作用,使機筒內膠料的壓力由加料口開始沿膠料流動方向逐漸升高,到螺桿頭部附近達到最大值;同時螺桿主要受到膠料的扭矩作用(忽略其他影響較小的力的作用)。在螺桿尾端花鍵處施加固定約束,在螺桿頭部施加機頭壓力28MPa,在螺桿體上施加恒定扭矩。設定電機功率為45 kW,螺桿轉速為90 r·min-1,機械總傳動效率為0. 75,即作用在螺桿上的扭矩為(3.579e+3) N·m(假定為恒定扭矩)。將螺桿載荷及邊界條件施加到螺桿三維模型上,得到3種螺桿的馮·米塞斯應力云圖(見圖1~圖3),
由圖1~圖3可以看出,沿著螺桿的軸向,從螺桿末端到螺桿根部,顏色由藍到紅變化,呈逐漸增加的態(tài)勢,到螺桿根部達到最大值,從而可以確定螺桿根部是危險截面,與實際使用中的螺桿經(jīng)常在根部被扭斷的事實相符。
利用ANSYS分析軟件設定機頭壓力p=15~28 MPa為變化的參數(shù),得出在給定的機頭壓力變化范圍內3中螺桿的相應應力a的最大值變化曲線見圖4~圖6.
由圖4~圖6分析可知,當機頭壓力p從15MPa上升到28 MPa時,在扭矩和機頭壓力的共同作用下,等深等距螺桿隨著機頭壓力的升高,螺桿應力σ從156.00 MPa上升到161.07 MPa,變化率為39.0%;等深不等距螺桿應力σ僅從158.30 MPa變化到159.24 MPa,變化率為7.2%;等距不等深螺桿應力σ從216.69 MPa上升到225.83 MPa,變化率為70.3%.說明了等深不等距螺桿由于其根徑大小保持不變,螺紋的螺距是從大到小收斂的,其機械強度、剛度比較好,在同等載荷下,根部應力a是等距不等深螺桿的72.1%;
在機頭壓力升高的過程中,等深不等距螺桿應力,上升速率是等距不等深螺桿的10.2%應力變化緩慢,而應力變化緩慢有利于螺桿的使用壽命的增長。
3種螺桿的最大應力σ(p為15 MPa時)及利用proe的測量命令得到3種螺桿的頭部螺槽體積及整體體積的對比情況見表2.
由表2可知,等深等距螺桿與等深不等距螺桿的機械強度性能接近,所用材料最少。等深不等距螺桿體積(材料成本)僅是等距不等深螺桿的93.5%,生產所需材料少,經(jīng)濟。在相同的螺桿轉速下,螺桿的生產能力與其頭部螺槽體積成正比,所以,等深不等距螺桿的生產能力大于等距不等深螺桿。從根部應力的大小、應力上升速率、經(jīng)濟性以及生產能力方面綜合分析可知等深不等距螺桿的性能最優(yōu)。
3 結語
利用proe進行實體造型,直接通過ANSYS與proe的集成接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無損導入,避免了重復現(xiàn)有CAD模型的工作而生成待分析的實體模型,也避免了圖形數(shù)據(jù)的丟失,提高了分析效率,通過三維設計軟件與有限元分析軟件的有效結合,對螺桿進行靜力結構分析,改變了傳統(tǒng)的計算分析方法,為進一步的優(yōu)化分析及其他工程技術研究提供了借鑒。
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