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目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于水工領(lǐng)域，利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)一些在卷筒設(shè)計(jì)研究中無(wú)法計(jì)算解決的問(wèn)題，也找到了新的計(jì)算分析方法，以往一些復(fù)雜的手工計(jì)算過(guò)程，甚至誤差較大的問(wèn)題，現(xiàn)在也可以做進(jìn)一步的精確研究了。根據(jù)水電站啟閉機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，選擇ANSYS軟件作為有限元分析軟件，將會(huì)提高啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)手段，克服以往靠傳統(tǒng)計(jì)算方法和經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)狀態(tài)，減少設(shè)計(jì)誤差，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)精度。
為了準(zhǔn)確反映卷筒的各部分的應(yīng)力分布情況，杭州那泰有限元分析公司首先將根據(jù)卷筒的實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立實(shí)體模型，劃分有限元網(wǎng)格，然后根據(jù)受力特點(diǎn)和約束情況，施加邊界條件和外載荷，最后使用ANSYS軟件進(jìn)行求解計(jì)算。
因計(jì)算機(jī)資源有限，在建模過(guò)程中，要進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化，模型要反映卷筒實(shí)際結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，簡(jiǎn)化一些對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的特征，以減少劃分網(wǎng)格的數(shù)量，提高計(jì)算速度。
因?yàn)閱㈤]機(jī)卷筒多屬于焊接殼結(jié)構(gòu)，在有限元模型簡(jiǎn)化時(shí)，我們將卷筒和鋼繩做如下假設(shè)卷筒是封閉的薄壁圓柱殼，材料均質(zhì)，各向同性，將鋼絲繩對(duì)卷筒的壓力均勻分布在鋼絲繩與卷筒的接觸寬度上。
上述卷筒結(jié)構(gòu)左端通過(guò)卷筒軸（短軸）支承在滾動(dòng)軸承座上，右端與卷筒聯(lián)軸器相連，由于鋼絲繩在卷筒上纏繞處離兩端各有一段距離，在實(shí)際工作中，左右兩端變形很小，在此將兩端作為邊界條件，進(jìn)行約束，對(duì)左端進(jìn)行固定約束，右端允許軸向移動(dòng)，約束其它兩個(gè)方向。
根據(jù)卷筒的受力狀況，鋼絲繩對(duì)卷筒的作用力主要有3個(gè)：1）受到一定張力的鋼絲繩纏繞在卷筒外壁，帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，對(duì)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)中心產(chǎn)生扭矩；2）把卷筒簡(jiǎn)化為一簡(jiǎn)支梁，當(dāng)鋼絲繩的拉力作用在卷筒上后，會(huì)產(chǎn)生彎矩；3）把鋼絲繩在卷繞時(shí)對(duì)卷筒筒壁產(chǎn)生的緊箍作用看作成一個(gè)均勻的壓力，并作用于筒壁上。
材料設(shè)置與網(wǎng)格劃分。本例中的卷筒使用Q34B鋼板卷制而成，塑形材料，模型單元選用SOLID45實(shí)體單元，在劃分網(wǎng)格過(guò)程中，在卷筒的敏感區(qū)域或危險(xiǎn)部位進(jìn)行細(xì)化，滿足分析精度要求，且單元數(shù)不至于過(guò)多，這樣不僅滿足計(jì)算的精度要求，而且還節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。
以卷筒結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析，卷筒相關(guān)尺寸為：槽底直徑Φ=1258mm；繩槽高度h=12mm；繩槽節(jié)距t=35mm。按照卷筒的尺寸，筒殼上左右對(duì)稱各布置37圈繩槽，我們?cè)贏NSYS軟件中建立具有74 圈繩槽的有限元模型，然后加載分析計(jì)算，其計(jì)算過(guò)程同上，比較分析帶繩槽卷筒同光卷筒的應(yīng)力。為同上述光筒比較計(jì)算結(jié)果，選用的材料也為Q345，根據(jù)尺寸建立有限元模型和劃分網(wǎng)格，加載及求解。
傳統(tǒng)理論分析。我們以卷筒結(jié)構(gòu)為例來(lái)說(shuō)明：?jiǎn)㈤]力100t，吊具自重11t，考慮動(dòng)載系數(shù)后，合計(jì)總載荷為122.1t，因滑輪組倍率為4，共8根鋼繩承擔(dān)載荷，所以計(jì)算所得單根鋼絲繩的最大靜拉力16.5t，根據(jù)此最大靜拉力，纏繞繩表面壓力荷載7.3MPa，另通過(guò)計(jì)算，卷筒扭矩0.21285×109N·mm，最大彎矩0.254721×109N·mm。根據(jù)啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范及力學(xué)公式，計(jì)算得到：彎曲正應(yīng)力9MPa；扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力3.5MPa；卷筒壁壓應(yīng)力201MPa。
根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果可以看出，卷筒所承受的彎曲荷載和扭轉(zhuǎn)荷載很小，而卷筒壁的壓應(yīng)力為2000Pa比較大，小于啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范上規(guī)定的許用壓應(yīng)力216.7MPa。
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