【正文】 和長期安全運轉(zhuǎn)，同時對指導(dǎo)輪帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計也具有參考價值。 筒體的有限元分析 連續(xù)梁理論 將回轉(zhuǎn)窯作為連續(xù)梁考慮是傳統(tǒng)設(shè)計的主要方法，經(jīng)過多年反復(fù)實踐，積累了不少經(jīng)驗。但也存在不少問題。1．作為在連續(xù)梁筒體上的載荷通常看作沿截面均勻分布來考慮，而實際這些載荷的 60%～85%（如襯磚、物料、窯皮等）主要集中作用在筒體下半部，僅自重在橫截面上均勻分布。2．作為連續(xù)梁考慮時只能計算膜應(yīng)力，在計算時，假設(shè)截面本身不變形，也就無法考慮由于筒體橫截面變形引起的彎曲應(yīng)力。實際上筒體截面本身的變形對應(yīng)力影響很大，不能忽略。3．連續(xù)梁的計算未能計及筒體的環(huán)向應(yīng)變和應(yīng)力，但筒體應(yīng)力測試數(shù)據(jù)和實物破壞形式都反映它們是不容忽視的。，然而正是筒體的橫截面變形直接影響窯襯的壽命 [27]。 薄殼理論在工程中，一般當(dāng)殼體的厚度與中面的曲率半徑的比值小于 1/20時，即認(rèn)為屬于薄殼結(jié)構(gòu)。薄殼理論是建立在兩個基本假定上，通常稱為克?；舴蚣俣ā＜矗?，與變形后的中面保持垂直，且長度不變（也稱直線法假定） 。2．垂直于中面方向的應(yīng)力與其他應(yīng)力相比，可以忽略不計。 第一個假定忽略殼體橫向剪切變形和橫向擠壓變形；第二個假定忽略殼體的橫向擠壓應(yīng)力。回轉(zhuǎn)窯筒體是一個典型的圓柱薄殼結(jié)構(gòu)。板殼力學(xué)中導(dǎo)出了圓柱薄殼的 17個力學(xué)分析基本方程 [24]，但要解決實際問題，必須解含有 17 個未知量的方程， 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 41 頁其中有的還是偏微分方程。因此，除了一些簡單的問題外，許多問題很難用解析法進(jìn)行求解。另外，為了簡化問題，提出了薄殼的無矩理論和有矩理論，但在解決實際問題時，只能求解那些受力簡單、邊界約束特殊的問題?；剞D(zhuǎn)窯筒體載荷分布復(fù)雜，殼體厚度有突變，又有彈性接觸邊界，難以用圓柱薄殼理論求出解析解，雖然很多從事理論研究和工程設(shè)計的人員為此做了很多工作 [25],但是獲得的成果是有爭議的。彈性理論的數(shù)值分析——有限元法的成熟，為回轉(zhuǎn)窯的筒體力學(xué)特性分析提供了一條新的途徑。 建立筒體模型(1)輸入筒體材料參數(shù):彈性模量、泊松比、單元厚度表 7 殼單元不同截面的厚度 實常數(shù)號1 2 3 4 5 6 7 8厚度 m (2)單元類型選取 由于筒體是一個典型的圓柱薄殼結(jié)構(gòu),所以選用殼單元劃分筒體,為提高分析精度,選用高階的 8節(jié)點 Shell93單元（3）由于殼單元是面單元，通過拉伸弧線單元建立殼單元模型(4)劃分網(wǎng)格 在厚度突變處及各檔滾圈支承處網(wǎng)格劃分較密,在各檔之間的筒體段網(wǎng)格劃分較稀；在不同厚度段的過渡處采用自由網(wǎng)格,其余采用映射網(wǎng)格。最后建立具有 36487個節(jié)點,11440 個單元。GUI操作過程：1）過濾參數(shù) Main menupreferencestructural；2）選擇單元類型 Main menuelement typeaddshell8 nodes 93,ok；3）定義單元實常數(shù) main menureal constantsaddaddshell93ok；在 thickness 里輸入殼單元厚度，由于筒體的厚度有 8種，所以設(shè)置8個厚度參數(shù)4）定義材料屬性 Main menumaterial propsmaterial modelsstructuralliner彈性模量 210GP,泊松比 密度 7800Add temperature，添加溫度不同部位的 E和泊松比；5）模型的建立1．中心線 modelingcreatekey pointsin active cs 輸入不同厚 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 42 頁度處的位置，共 24點，createlinesstraight linepick kps2．拉伸面 由于模型對稱，所以選擇一半建模 createlinesarcsby centamp。 radius 輸入半徑，弧線長度。3．拉伸成殼單元 modelingoperateextrudelinesalong lines 選擇剛才建立的中心線依次拉伸生成殼單元，如圖 320。圖 320 回轉(zhuǎn)窯的整體模型6）網(wǎng)格劃分 由于網(wǎng)格劃分過細(xì)，則計算機無法運行，過粗則精度不夠，為了滿足精度，又能順利的運行，在厚度一直的筒體部位采用映射網(wǎng)格，厚度不同的交疊處采用自用網(wǎng)格劃分。 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 43 頁圖 321 筒體局部網(wǎng)格顯示圖 322筒體局部節(jié)點顯示 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 44 頁 約束的處理由于筒體的結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性,分析模型取筒體對稱于 YOZ,X0的一半,要使兩半筒體不互相嵌入或分離,在對稱面上要施加約束:(1)筒體在 YOZ平面內(nèi)的各點沿 X的平動為 0；(2)筒體在 YOZ平面內(nèi)各點繞 Y軸和 Z軸的轉(zhuǎn)動為 0；另外,筒體通過滾圈支承在托輪上,在毗鄰傳動檔的 3檔處有擋輪,因此要施加下列約束:(3)在 3檔支點位置處軸向 Z方向位移為 0；(4)筒體與滾圈接觸部分的節(jié)點的徑向位移應(yīng)等于滾圈內(nèi)表面相應(yīng)節(jié)點的徑向位移。圖 323 約束加載載荷處理 考慮筒體的受力情況,對筒體進(jìn)行載荷處理,由筒體受力分析可知:筒體的殼單元承受作用于節(jié)點的 3種載荷:(1)襯磚、窯皮、物料為作用在筒體內(nèi)表面的面載荷；(2)大齒輪、揚料板為作用在筒體節(jié)點上的集中載荷；(3)在 Y方向給予重力加速 g,對每個節(jié)點施加重力因子(體載荷)。 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 45 頁說明：由于筒體軸向上，襯磚的材料不同，窯皮的厚度不同及殼的厚度不同，引起各段的重量不同，從而導(dǎo)致加載面載荷時，余弦分布函數(shù)不同，加載時，應(yīng)進(jìn)行各段載荷函數(shù)的定義，分段加載。圖 324 施加的面載荷（局部） 進(jìn)入求解器對上述的 FEA模型求解，然后進(jìn)入后處理器進(jìn)行結(jié)果分析。ANSYS殼單元可以輸出單元、節(jié)點在 X、Y、Z 方向的正應(yīng)力、應(yīng)變，及三個主應(yīng)力和按不同強度理路計算的等效應(yīng)力，還可以繪出上述參數(shù)的等值線圖，并可以映射（Map）指定路徑的變化曲線。為對筒體的強度進(jìn)行校核及其應(yīng)力分布進(jìn)行分析這里選出一些典型位置的主要參數(shù)列出或繪出，選取的典型截面位置，如圖 28所示。 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 46 頁圖 325典型截面位置示意圖AA截面位于窯頭位置，BB 截面位于 1檔支撐位置附近，CC 截面位于 12檔中間位置，DD 截面位于 23檔中間位置，EE 截面位于 3檔支撐處，F(xiàn)F 三四檔的中間位置，GG 截面位于齒輪位置。將結(jié)果在柱坐標(biāo)系下顯示，這樣，Y 方向的正應(yīng)力 σy 即為筒體的周向應(yīng)力，Z方向的正應(yīng)力即為筒體的軸向應(yīng)力 σz。圖 326是筒體的變形圖，相比之下，23 檔間和 34檔間的變形較大。 圖 326 筒體的變形圖這是因為耐火磚和窯皮重量在 23檔間分布較大，而 34檔間要安放大齒輪跨距大。12 檔間耐火磚和窯皮重量部分也較大，但 12檔的跨距相比較而言要小，并且 12檔的壁厚為 38mm，要比 23檔和 34檔間的厚度要大，所以變形沒有 23檔和 34檔間變形大。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，周向應(yīng)力是不容忽視的。許多位置的周向應(yīng)力甚至超過了軸向應(yīng)力，這與一些資料給出的實測數(shù)據(jù)是相吻合的，進(jìn)一步證明了用不考慮周向應(yīng)力的梁模型來分析筒體內(nèi)部應(yīng)力分布的不科學(xué)性。從表中的數(shù)據(jù)還可以看出，筒體內(nèi)、外表面的應(yīng)力存在著較大的差異，這說明彎矩的作用是不容忽視的。 下面的 AG圖繪出了主要截面的軸向應(yīng)力 σz(圖中的 SZ)、周向應(yīng)力 σy(圖中 SY)、等效應(yīng)力 σr（圖中 SINT）、剪切應(yīng)力 σyz（圖中 SYZ）沿周向路徑的變化曲線。其指定的路徑均為所在截面位置以 Y=90176。為起點 Y=90176。為終點的半圓弧，橫坐標(biāo)的值為周長，單位 m，縱坐標(biāo)為應(yīng)力值，單位 Pa。 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 47 頁表 筒體 CC截面的應(yīng)力（） 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 48 頁AA截面沿周向應(yīng)力變化曲線BB截面沿周向應(yīng)力變化曲線 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 49 頁CC截面沿周向應(yīng)力變化曲線DD截面沿周向應(yīng)力變化曲線 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 50 頁EE截面沿周向應(yīng)力變化曲線FF截面沿周向應(yīng)力變化曲線 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 51 頁GG截面沿周向應(yīng)力變化曲線 其中 CC截面、DD 截面和 FF截面均處于相鄰兩檔跨距中間位置。從這幾個圖中可以看出，筒體過中心的水平面上方的部分（坐標(biāo) Y0）受壓，軸向應(yīng)力σz(SZ)在 90176?；蚩拷?90176。的地方達(dá)到壓應(yīng)力最大，在90176。或附近的地方達(dá)到了拉應(yīng)力最大，在 0176?；蚋浇鼞?yīng)力趨于 0，這種規(guī)律與按梁模型計算結(jié)果相似；在相鄰兩檔跨距中間或靠近中間的位置，周向應(yīng)力 σy(SY)和剪切應(yīng)力 τyz(SYZ)都很小，說明在遠(yuǎn)離筒體支撐位置處基本呈無矩狀態(tài)，同時表面殼體的“無矩理論”所基于的假設(shè)“殼體呈無矩狀態(tài)”在一些特定的條件下是可以成立的。 AA截面位于窯頭，相當(dāng)于梁模型的懸臂梁，BB 截面靠近 1檔支撐處，截面 EE靠近三檔處，從這些截面的應(yīng)力變化曲線可以看出，軸向應(yīng)力 σz（SZ）不再是上方受壓，下方受拉，而且周向應(yīng)力 σy（SY） 、剪切應(yīng)力 τyz（SYZ）明顯增大。周向應(yīng)力 σy（SY）在靠近支撐處加大，在遠(yuǎn)離支撐處趨于 0，而軸向應(yīng)力σz（SZ）在靠近支撐處減小，在相鄰兩檔支撐跨中或靠近跨中的位置達(dá)到最大，這一規(guī)律可以從圖 327至圖 333看出。 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 52 頁圖 327 12檔 90176。處間沿軸向應(yīng)力變化曲線圖 228 12檔90176。處間沿軸向應(yīng)力變化曲線 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 53 頁圖 329 12檔 6176。處間沿軸向應(yīng)力變化曲線圖 330 12檔54176。處間沿軸向應(yīng)力變化曲線 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 54 頁圖 331 34檔90176。處間沿軸向應(yīng)力變化曲線圖 332 34檔 90176。處間沿軸向應(yīng)力變化曲線 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 55 頁圖 333 34檔 0176。處間沿軸向應(yīng)力變化曲線 以上曲線都表明，等效應(yīng)力在支撐位置附近最大，對于本結(jié)構(gòu)，等效應(yīng)力最大值是 ?；剞D(zhuǎn)窯筒體屬于薄壁結(jié)構(gòu)，按有關(guān)文獻(xiàn)的推薦，取安全系數(shù)n=3，則需用應(yīng)力[σ]=σs/n≈73MP [26],可見本結(jié)構(gòu)滿足強度條件。從計算結(jié)果分析可得出如下結(jié)論：筒體的周向應(yīng)力不容忽視，許多位置的周向應(yīng)力甚至超過了軸向應(yīng)力，證明用不考慮周應(yīng)力的梁模型來分析筒體內(nèi)部應(yīng)力的不科學(xué)性；1）筒體的內(nèi)外表面存在著較大的差異，說明彎矩的作用不容忽視；2）筒體周向彎矩較軸向彎矩大；遠(yuǎn)離支撐處筒體上方受壓，下方受拉，軸向應(yīng)力在最下方（90176。）達(dá)到拉應(yīng)力最大，在最上方（90176。）達(dá)到壓應(yīng)力最大，這種變化規(guī)律與按梁模型計算的結(jié)果類似；在相鄰兩檔跨距中間或靠近中間的位置，周向應(yīng)力和剪切力很小，說明在遠(yuǎn)離筒體支撐位置基本呈無矩狀態(tài)，表明殼體的“無矩理論”在一定條件下是成立的；3）周向應(yīng)力在靠近支撐處加大，在遠(yuǎn)離支撐處趨于 0，而軸向應(yīng)力在靠近支撐處減小，在相鄰兩檔支撐跨中或靠近跨中位置達(dá)到最大。 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 56 頁本文結(jié)論 本文運用數(shù)值分析——有限元法，通過確定合適的邊界條件，采用 ANSYS軟件的高級建模技術(shù)，建立了回轉(zhuǎn)窯主體部件輪帶和筒體的有限元仿真分析模型，并利用 ANSYS的載荷工況組合、路徑分析等高級后處理技術(shù)對其應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行了仿真分析。通過這些工作得到如下主要結(jié)論：1. 對回轉(zhuǎn)窯輪帶的有限元仿真結(jié)果表面：輪帶的截面變形為類似平放橢圓，與解析法所得位移圖近似，在頂部、中部和托輪支撐處出現(xiàn)峰值應(yīng)力，其中支撐處的接觸應(yīng)力最大，定量求出與托輪接觸處輪帶的峰值應(yīng)力后，可以準(zhǔn)確判斷是否需