化工机械有限元方法在离心机转鼓强度分析中的应用谭蔚s王泽军朱企新（天津大学）（天津市锅炉压力容器技术检验所）（天津大学）高计算精度和保证模拟有效性的注意事项，并探讨了转鼓强度评定准则。

　　离心机转鼓是离心机的重要部件之一，其结构和承载比较复杂。国内外离心机强度标准中一般只给出简单结构转鼓壁的薄膜应力的计算规定，而对于鼓壁开孔或带有加强箍转鼓结构、形状复杂的转鼓底结构，都无法用解析方法求出其准确应力，而用试验方法测量应力对高速回转元件也比较困难。因为通常采用的应变片本身具有一定的尺寸，用它们测出的应力实际上是某个应变片覆盖面积上的平均应力，在应力梯度大的位置，如应力集中部位和存在边缘应力位置，准确测量变得非常困难。有限元方法是解决这些问题的为有效的手段。因此，我国及许多国家的离心机强度标准中都采用有限元的方法。

　　本文以高速管式离心机与三足离心机转鼓应力分析为例，就转鼓组件的有限元计算模型建立所涉及的诸多问题、计算结果的分析评定等问题进行了较为详细的论述。

　　1现状有限元分析是一项复杂而又细致的工作，分析人员不仅需要具有扎实的力学和有限元知识，还需要丰富的经验和较强的分析能力。任何细节的忽略可能会带来很大的误差甚至造成谬误。面对一个需要分析的对象，如何将它从其复杂的工作环境中抽象出来，如何在保证对构件的有效模拟，进行简化而不影响计算精度，网格细化到什么程度才能使模型的分析结果接近或收敛到正确的结果等等，这一系列问题必须认真考虑。

　　我国许多学者采用有限元方法对离心机转鼓进行了应力分析中给出转鼓上接触物料表面任意一点所承受的料浆（离心）压力的计算公式。与物料接触的某个单元上的物料离心压力可以近似以常数施加到该单元与物料接触的边界上，这种模拟会给计算带来一定误差，但是单元划分越细，这种简化带来的误差越小。

　　中箭头代表物料压力面载荷的作用方向体模拟后进行试算若计算结果显示两个元件接bl和大小at注意各放大图的显示比例不同x图中iet化工机械给出的物料压力按照单元承载表面的平均半径（Y坐标）计算得到，物料压力的方向垂直于转鼓表面，计算中忽略了在Z轴正方向上的自重。同样，中也指出了承受物料离心压力的部位。

　　4试算与模型精度计算模型建立后应进行试算。试算除了考察如上所述非焊接接触面上的应力状况之外，还应考察模型中是否有单元丢失、是否存在不正常的应力和位移，以便进行适当修正。另外，试算的一个重要目的是考察模型精度，特别是重点考察区域的精度。目前的计算分析软件通常采用“应力磨平技术”来获得节点应力值，即对相邻各单元在其公共节点上得出的应力值取平均值作为公共节点的应力值。而模型精度可以定义为此节点上各单元得出的应力值的大差值除以平均值或模型中的大应力值，然后取百分数（这个数值实际上应称为模型误差）。考察模型精度的目的是分析网格划分的合理程度，如果某个区域这个百分数较大，则应当分析造成误差的原因，如此处网格划分不够细致或单元形状不够理想，这时应当考虑进一步细化网格，并控制单元的形状。

　　5模型的收敛性与解析解相比，有限元法是对实际状况的近似模拟，如果网格做得过分粗大，会影响求解的精度。因此，模型特别是模型中的重点考核部位的收敛性是一个非常值得考虑的问题。给出了一个简单算例。厚。

　　1cm、长宽均为1cm的平板中心开有fecm的孔，两个方向受不等值拉伸载荷作用。

　　份，用四节点平面应力单元进行计算考察孔边大应力的收敛情况，结果见。可以看出当对圆周进行了64等分时，计算结果才开始出现收敛趋势，但这时单元的特征尺寸为开孔直径的1/ 20，网格已经非常精细。

　　圆周等分份数与孔边大应力计算结果这个例子说明在进行过滤式离心机转鼓应力分析时，应当对开孔周围网格进行适当细化。但是若采用三维模型计算，而对所有的孔进行细化将使计算量呈数十倍甚至上百倍增加，增加了工作难度，实际上在重点考核位置仅细化一个或几个有代表性的开孔即可。

　　另外，对重点考察区域如果存在结构不连续，为了保证计算结果的有效性，应进行收敛性分柝12. 6计算结果评定方法经过有限元计算得出各个位置的应力水平后，需要对结构的安全性进行评定。转鼓结构的强度评定准则应同时考虑转鼓的安全性和经济性，两者不可偏废。离心机转鼓可以认为是一种特殊的承压设备，如果强度不足会引起财产损失和人员伤亡，但是，若过分强调安全性能，而忽略经济性，势必会提高产品的成本降低产品的竞争力。因此应当综合考虑安全性和经济性，提出合理的强度准则。

　　化工机械究，研究成果已经反映在标准规范中。这些标准将某个穿过构件厚度的评定线上的应力（虚拟弹性应力）分解为总体一次薄膜应力、一次局部薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力、峰值应力等，按照不同的强度准则分别进行评定：a.―次总体薄膜应力强度Pm应不超过设计许用应力强度Sm，即b.―次局部薄膜应力强度PL应不超过设计许用应力强度Sm的1. c.一次局部薄膜应力Pl加一次弯曲应力Pb的应力强度也应不超过设计许用应力强度Sm的d.―次局部薄膜应力Pl、一次弯曲应力Pb与二次应力Q的和的应力强度应不超过设计许用应力强度Sm的3倍，即PL+Ph+QOSm；e.在进行疲劳分析时，还应考虑峰值应力F即PL+Ph+Q+F<2Sa，Sa为材料在一定循环次数下的许用应力幅。

　　上面的一次总体薄膜应力等的“应力强度”指的是TRESCA相当应力的两倍。按照对安全系数的规定，1.5Sm可以理解为材料的屈服应力，3Sm为屈服应力的两倍，也可以理解为材料的抗拉强度，因此可以将上述a~d理解为用许用应力（即设计应力强度）限制总体一次薄膜应九用屈服应力限制局部薄膜应力以及局部薄膜应力与一次弯曲应力的和，用安定性准则限制一次应力和二次应力的和。这种方法体现了结构应力分析评定的先进水平。然而，是否可以将这些成果直接用于离心机转鼓的强度评定，还应当考虑以下几点：0.33ah，那么，Pl和Pl+Pi，的限制值应当为2M，Pl+Pi，+Q的限制值应为3或4（若材料的屈强比不大于0.5时，采用安定性控制，取4在考虑开孔间距应力超过屈服应力也不会引起筒体局部过量塑性变形，对这个问题做了一些有益的讨论。

　　c.上述各种应力组合的限制值是否可以进一步放宽，压力容器产品在破坏后可能会造成爆炸以及燃烧、有毒物质泄漏等二次危害，但离心机转鼓损坏的危害性与压力容器不同，从经济性考虑，有进一步放宽的余地。

　　d.应当看到转鼓强度标准与压力容器标准在某些方面的差异，例如JB/T8051-96规定对奥氏体钢，屈服应力取产生1.0残余伸长时的应力，即a.，而均采用as=a（）。2，两者差距较大。

　　e.对间歇操作的转鼓的疲劳评定曲线是否可以直接采用的疲劳评定曲线，也是一个非常需要探讨的问题。因为的疲劳评定曲线的寿命安全系数为20（考虑了试验数据分散度、尺寸因素、表面粗糙度、环境因素等）应力安全系数为20.对离心机转鼓来说，这些安全系数较大。

　　7结束语综上所述，可以将压力容器应力分析评定的思想和基本原则用于转鼓的有限元强度分析评定，但是不能盲目照搬照套，必须看到它们的区别。