基于Ansys的球磨机干燥设备有限元热力耦合分析

王海洋，姚芳萍

（辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，锦州 121001）

0 引言

球磨机是物料被破碎之后再进行粉碎的关键设备。它被广泛应用于水泥、硅酸盐制品、新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑与有色金属选矿以及玻璃陶瓷等生产行业，对各种矿石和其他可磨性物料进行干式或湿式粉磨。长远来看，球磨机仍将是该行业的主要设备，其相关研究已经受到了高度重视，并取得了丰硕成果。而物料经球磨机粉磨后必须进行干燥，因此，对球磨机后续干燥设备的研究也非常必要。

如果需要对选矿设备进行技术革新，升级设备自动化水平，有时需对其中的球磨机后续干燥设备进行改造，以图1中所示梁为例，为了保证设备安全可靠，对其结构进行有限元热力耦合分析。

1 软件介绍

Ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析与一体的大型通用有限元分析软件。它能与大多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、Nastran、A logor、I—DEAS、AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。所以选择Ansys软件作为对干燥设备中梁结构进行有限元热力耦合分析的工具。

2 方案分析

如图1所示：干燥设备中被窑头罩子包围的梁受到1500度高温气体影响，在罩子两侧的梁被托辊支撑，在罩子之外的梁与室温空气直接接触，梁的内部流动冷却水（假设流入水温为22度，流出水温为80度），梁的中部受到重物施压。在此情况下通过有限元分析观察梁的变形，从而确定其合理的尺寸和结构。

对梁进行有限元分析时需作如下假设：

1) 单根梁的承重与梁成线接触；

2) 梁上介于高温气体和室温空气之间的部分所受的气体温度为500度，对流换热系数为25W/m2●℃；

3) 在热分析过程中，温度载荷是以热对流形式设置。

图1 梁及其装置结构图

3 有限元分析

在Ansys中，首先对梁进行有限元建模并划分单元格。在有限元分析中获得四面体单元3440个，22281个节点，如图2所示。然后设置温度载荷，在热分析过程中，温度载荷是以热对流形式设置（如图3所示），具体如下：

4）D面—即与冷却水接触的管道内壁，设置为环境初始温度22，最终温度为80，热对流系数为1200W/m2●。

受力和约束情况如图4所示，具体如下：

A—管道自身重力；

B—在B处施加约束，限制该位置的管道向下移动，但不限制其他两方向移动；

C—受到重物施加的压力。

图2 有限元网格模型

图3 温度载荷设置情况

图4 约束和载荷设置情况

图5 静力学分析（压力为10吨）——应力分析

图6 静力学分析（压力为10吨）——应变分析

图7 静力学分析（压力为 10吨）——位移和变形

图8 热结构分析——温度分布

图9 热结构分析（压力为10吨）——应力

表1 碳素钢和低合金钢钢板许用应力

表2 梁中部受热受力变形情况

图10 热结构分析（压力为10吨）——应变

图11 热结构分析（压力为 10吨）——位移变形

分别对梁在受10吨、30吨和50吨压力时的应力、应变、位移和变形进行了分析，并在热力耦合状态下分析了梁的应变、位移和变形。图5～7所示为当梁所受压力为10吨时，其应力、应变、位移和变形的云图；图8所示为对梁进行热结构分析时其温度分布的情况；图9～11所示为梁压力为10吨时，在热力耦合状态下其应力、应变、位移和变形的云图（压力为30吨和50吨时的分析结果略）。表2所示为梁在纯粹压力和热力耦合状态下基于Ansys软件对其进行分析得出的应力、应变、位移和变形的最大值及许用值。

梁的材料为20号锅炉钢，转成现在的标准是Q245R，所以根据表1中 Q245R的许用应力表比较表2中的等效应力可知，随着温度的增大，最大等效应力增大，而Q245R的许用应力降低。只有当静力作用等于10吨时，梁的最大等效应力是小于许用应力的，符合实际使用要求。

要使梁在大于10吨压力的状态下工作，则必须对其结构进行改善，从而增加其强度，符合使用要求。

4 结论

随着计算机技术的飞快发展，机械装备有限元热力耦合得到了前所未有的提高和应用。本文基于ANSYS软件对球磨机干燥设备设计中改进梁结构进行预演算，通过施加与实际工况相近的边界条件，获得了较精确的数据，为该关键梁结构的开发研制奠定了基础。

[1] 曾攀.有限元分析及应用[M].清华大学出版社,2004.

[2] 孙宗猛,周家勇,刘训志.某锅炉管屏的人力耦合有限元分析[J].技术与市场,2010,11.

[3] 曹淑敏,陈其伟,朱国辉,完卫国.20MnSi钢筋热连轧温度场的热力耦合分析[J].安徽工业大学学报,2011,04期.