提高振動篩計算精度與穩(wěn)定性的方法
作者:宏源科技 日期:2014-01-11
大型振動篩的結(jié)構(gòu)比較復雜,為減小模型誤差,提高計算精度及可靠性,采用以下幾種方法。
(1)提高單元階次
插值函數(shù)階次增加更能逼近復雜的真實函數(shù),幾何離散誤差也較線性單元小。振動篩的側(cè)板和小側(cè)板的動應力特性比較重要,形狀也比較復雜,因此劃分網(wǎng)格采用 10 節(jié)點四面體結(jié)構(gòu)實體單元 SOLID92(如圖 5-2),它是在三維線性四面體單元的基礎(chǔ)上建立起來的一種高階單元。與 4 節(jié)點的四面體單元相比,10 節(jié)點四面體單元更適合于精度要求較高、邊界較為復雜的模型。
對于大型振動篩的關(guān)鍵部位,采用高階單元,插值函數(shù)是二次函數(shù),則誤差和 收斂速度的量級為 3 O ( h ),收斂速度比 4 節(jié)點的四面體單元和 8 節(jié)點六面體單元收 斂速度 2 O ( h )快一倍。插值函數(shù)階次增加更能逼近復雜的真實函數(shù),幾何離散誤差也較線性單元小。振動篩的側(cè)板和小側(cè)板的動應力特性比較重要,形狀也比較復雜,因此劃分網(wǎng)格采用 10 節(jié)點四面體結(jié)構(gòu)實體單元 SOLID92(如圖 5-2),它是在三維線性四面體單元的基礎(chǔ)上建立起來的一種高階單元。與 4 節(jié)點的四面體單元相比,10 節(jié)點四面體單元更適合于精度要求較高、邊界較為復雜的模型。
振動篩的橫梁和超靜定結(jié)構(gòu)中的六根管梁也是動態(tài)設(shè)計中需要重點關(guān)注的部件,為保證求解精度,采用 20 節(jié)點六面體單元 SOLID95,如圖 5-3 所示。該單元是在 8 節(jié)點六面體單元的基礎(chǔ)上建立起來的一種高階單元,與 8 節(jié)點的六面體單元相比,20 節(jié)點的六面體單元更適合于精度要求較高的模型。
(2)減小單元尺寸減小單元尺寸,相當于增加了單元的數(shù)量,可使有限元解收斂于精確解。單元尺寸減小時,單元的插值函數(shù)和邊界能夠逼近結(jié)構(gòu)的實際場函數(shù)和實際邊界,物理和幾何離散誤差都將減小?梢杂糜诳刂凭植拷Y(jié)構(gòu)細化,獲得精確的解。由于振動篩整體的結(jié)構(gòu)比較復雜,建立模型后,對整體結(jié)構(gòu)采用減小單元尺寸的方法,會導致單元數(shù)量龐大,計算速度緩慢。對于不重要的結(jié)構(gòu),采用這種方法,精度提高的有限,顯得不經(jīng)濟。對于比較重要的結(jié)構(gòu)如側(cè)板、橫梁、激振軸等,在劃分網(wǎng)格設(shè)定單元尺寸時,先根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定單元尺寸,分析計算結(jié)果;減小單元尺寸,再進行計算,比較兩次計算結(jié)果的差別。如發(fā)現(xiàn)局部誤差稍大,則再細化局部網(wǎng)格,再次計算。直到符合要求,從而保證有限元模型計算精度的要求。
(3)劃分規(guī)則的單元形狀 單元形狀的好壞將影響模型的局部精度,如果模型中存在較多的形狀較差的單 元,則會影響整個模型的精度。 對于計算中會產(chǎn)生應力集中的部位,如兩根激振梁上的激振器位置,彈簧支撐 與篩板接觸的部分等,選用規(guī)則的六面體單元,單元的各個面都是四邊形,規(guī)整度 較高;對于四面體單元,避免三角形單元的畸變,保證單元各個內(nèi)角相差不大,以 得到較好的形狀,從而減少單元內(nèi)部應力的誤差。
(4)建立與實際相符的邊界條件 如果模型邊界條件與實際工況相差較大,計算結(jié)果就會出現(xiàn)較大的誤差,所以 建模時應盡量使邊界條件值與實際值相一致。為了減少邊界條件的誤差,建立有限 元模型時,直接在 ANSYS 中建立有限元結(jié)構(gòu)模型,減少了由其它 CAD 軟件導入ANSYS 中的一些誤差;對于結(jié)構(gòu)件之間的相互作用,如管梁與側(cè)板連接處法蘭盤 的處理,考慮法蘭盤的剛度,引入虛梁,將質(zhì)量視為零,只考慮其剛度,作用是既 可以將擾力傳遞到篩體結(jié)構(gòu)上,又不增加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量而改變結(jié)構(gòu)的固有特性;把軸 承簡化為套筒結(jié)構(gòu),將激振力沿激振方向均布在軸承內(nèi)表面,激振力經(jīng)軸承傳給側(cè) 板,使力學模型很好地反應結(jié)構(gòu)的真實受力狀況。
對于螺栓連接,按實際情況考慮的話,需要建立完整的螺栓連接的模型,螺母 與法蘭進行接觸分析,采用預緊單元 prets179,墊片采用 inter194。單個的螺栓有限 元模型(四分之一)如圖 5-4(a)所示?紤]到整個模型的復雜性,多個螺栓連接 的精確分析模型,會造成有限元單元的急劇增加和局部網(wǎng)格的畸變,最終導致有限 元模型無法求解,因此要簡化螺栓連接。本文將螺栓簡化為 Beam 梁單元,螺栓連 接的關(guān)系簡化為多點約束單元 MPC,最后在螺栓的端點施加約束,將其固定。梁單 元的截面就是螺栓的截面,MPC184 為約束單元,其單元屬性為剛性梁,簡化的螺 栓連接有限元模型如圖 5-4(b)所示。經(jīng)過簡化后,結(jié)構(gòu)能很好的反映出螺栓及螺 栓連接的關(guān)系,得到較好的結(jié)果。
(5)有限元模型計算單元的選擇 該振動篩屬于一個空間板梁組合結(jié)構(gòu),由電動機以自同步方式驅(qū)動安裝在主梁 上的激振器產(chǎn)生激振力,使振動篩作與水平方向成45 o 的直線運動。對振動篩進行 有限元分析,主體結(jié)構(gòu)采用三維實體單元 SOLID95、SOLID92,彈簧結(jié)構(gòu)采用彈簧 單元 COMBINE14,將激振器簡化為集中質(zhì)量單元 MASS21。
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