虹吸离心机转鼓强度优化计算

目前,国内离心机的转鼓强度计算大多数是 根据《机械工程手册》第78篇推荐的离心机转鼓 强度的计算方法[1、2]。按此算法设计的离心机转 鼓往往偏于保守,相关尺寸有较大富裕,使得转鼓 质量无谓的增加,显然是不经济的。

虹吸离心机是近年来开发的一种具有高效过 滤性能的新型机种,其转鼓形状比普通离心机转 鼓更显得特殊,目前对这种形状特殊的转鼓强度 算法还不多见。鉴于此,本文采用了轴对称有限 元应力分析方法,对虹吸离心机转鼓进行整体优 化计算研究[3、4],即对转鼓筒体、拦液板、转鼓底、 虹吸室筒壁及溢流板等相关部件的厚度尺寸进行 优化计算,建立了相应的优化计算数学模型,从而 为虹吸离心机转鼓的优化设计提供更合理的理论 依据。

    1　有限元分析[5]

对离心机转鼓这样的轴对称问题,有限元法 更显其独特的优势。有限元法不仅不受转鼓形状 及复杂程度的限制,而且计算速度快、精度高,计 算应力更接近实际应力,因此作为离心机转鼓应 力分析的工具是完全可行的。虹吸离心机转鼓为 整体转鼓,其结构如图1所示。

虹吸离心机转鼓的几何形状、约束条件及载 荷(转鼓及物料等所产生的离心力)均对称于回转 轴,由载荷形成的应力、应变及位移等也对称于回 转轴。因此,可以把这类轴对称部件子午面上的 剖面图作为计算简图,于是虹吸离心机转鼓有限 元计算可简化为图2所示的模型。

为了便于进行网格的自动划分,确定整个转 鼓内各节点坐标、节点编号及所需信息的关键点, 将图2所示的转鼓计算模型划分为图3所示的12 个区域。

    2　优化计算[6]

    2·1　优化目标

在工艺条件及转鼓材料确定以后,离心机转 鼓的强度主要取决于转鼓的几何尺寸。如图1所 示,虹吸离心机转鼓的主要结构参数中,转鼓直径 D(R)、高度H、拦液板口直径D0(R0)、虹吸室直 径D4(R4)、高度H0、溢流板口直径D2(R2)等在 工艺设计时已优先确定,可视为常量,而厚度尺寸 δ、δ1、δ2、δ3、δ4的变化将直接影响到转鼓的强 度、刚度和质量大小,因此把优化计算的变量定 为:

通过以上分析,选取转鼓在满足强度、刚度等 条件下,质量最小作为优化目标,即取转鼓整体质 量作为目标函数。

    2·2　优化(约束)条件

在进行转鼓强度优化计算时,为了使优化结 果能在实际中得以应用,需要按工程实际要求设 定必要的约束条件,也称优化条件。根据虹吸离 心机的工况,可设定如下的约束条件。