第21卷 第4期郑州轻工业学院学报(自然科学版)Vol.21 No.4 2006年11月JO URNAL O F Z HENGZHOU UNIVERSITY OF LIG HT INDUSTR Y (Natural Science)Nov.2006收稿日期:2006-08-31基金项目:吉林省环保局2002年科技项目(吉环科第2001015号)作者简介:汪伟(1969 ),男,江苏省淮安市人,淮阴工学院讲师,硕士,主要研究方向:机械设计及理论.文章编号:1004-1478(2006)04-0062-04基于ADAMS 和ANSYS 的垃圾粉碎机运动部件设计汪 伟1, 宋嗣新2(1 淮阴工学院交通工程系,江苏淮安223001;2 吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春130025)摘要:运用ADAMS 对QL 100型垃圾粉碎机运动仿真,求解出了垃圾粉碎机核心运动部件在工作中受力情况,在此基础上,运用ANSYS 对核心运动部件进行有限元分析,得出了工作中受力状况的应力分布云图.运用该方法设计出的零件完全可以满足强度要求,可用于指导垃圾粉碎机的设计与研究.关键词:运动仿真;垃圾粉碎机;有限元分析中图分类号:TD451 文献标识码:ADesign of moving part of garbage processor by ADAMS and ANSYSW ANG Wei 1, SONG Si_xin 2(1.Dept o f Tra ffic Eng.,Hua iyin I nst.o f Tech.,H uaian 223001,China;2 College of Mech.Sci.and En g.,Jilin Univ.,Chan gchun 130025,China)Abstract:Gaineded prac tice force that acting on main moving part of QL 100type garbage processor byADAMS moving simulation measure is analyzed,based on this,gaineded stress distributing plot of main mov ing part of garbage processor by FE N(finity element analysis)with ANSYS.The parts that are designed by this measure meet intensity requirements.It offers valuable referrence for design and study to garbage processor.Key words:moving simula tion;garbage processor;FEN(finity element analysis)0 引言垃圾粉碎机于20世纪40年代在西方国家得到政府的重视和规模化应用,许多国家专门制定了法规,将垃圾粉碎机纳入建筑规范,成为厨房必备用品.同时制定了相应的设计与制造规范,并将CAE 技术应用到垃圾粉碎机的设计与制造领域.20世纪90年代,厨房垃圾粉碎机开始进入中国,并且被国内广泛接受.由于起步晚,国内对垃圾粉碎机的设计和研究还是沿用传统的计算与设计方法.由于垃圾粉碎机已被纳入厨房设备,强度不满足要求会造成人身伤害,因此对其安全性、结构的轻巧性及结构尺寸要求很高.本文基于CAE 技术,运用ADAMS 和ANSYS 对垃圾粉碎机运动部件进行分析与研究,为垃圾粉碎机的设计提供参考.1 运动部件的受力分析以QL 100型垃圾粉碎机为研究对象,它采用击打的破碎原理.其内部核心运动部件(击打组合体)主要有截流盘、上击打锤、下击打锤、轴.截流盘固定在轴上,上击打锤通过销轴与截流盘连接.截流盘随轴并带动击打锤高速旋转.下击打锤受力与上击打锤类似.具体结构如图1所示.为使QL 100型垃圾粉碎机的使用寿命长,工作时安全可靠,必须保证内部核心运动部件既耐腐蚀、不容易生锈,又要满足一定的强度.故选取铬不锈钢ZG1Cr13材料,其材料参数为:弹性模量E =200GPa,泊松比=0.3,密度 =7.8t/m 3, s =392MPa.图1 QL 100型垃圾粉碎机剖视图1.1 截流盘工作时工况载荷的计算由于截流盘是核心部件,受力大而且复杂,所以,采用数学计算和ADAMS 运动仿真两种手段进行受力校核.把截流盘理想化为一个绕中心轴旋转的一片圆薄板,在它上面作用有液体压力和流体阻力以及破碎垃圾时的阻力.还有通过击打锤施加到截流盘上的径向力和周向力.流体阻力矩可以使用专门计算液体中旋转圆盘上流体阻力的考克兰计算公式:流体阻力矩T =1.24N m.在破碎时测得截流盘受到的水和垃圾的正压力为100N~180N.击打锤产生的离心力计算为F r =4117 5N ,根据动量定理计算,截流盘两翼受到的冲击力为F t 2=82N ,截流盘表面受到的轴向冲击力F KY =90N .击打组合体受力图如图2所示.1.2 基于ADAMS 对击打锤绕其与截流盘连接的销轴转动对截流盘所产生的圆周力的动力学分析事实上这个力是击打锤绕销轴摆动其质心变化所产生的,它的求解很困难,采用ADAMS 进行动力学仿真来求解此力,能准确地计算出击打锤产生的离心力(F r =4117.5N ).调整虚拟样机的驱动参数、仿真的时间和步长,使仿真所得到的离心力等于或接近运算得到的离心力(F r =4117.5N ).此时就可得到击打锤绕其与截流盘连接的销轴转动对截流盘所产生的圆周力F t 1.图3和图4就是ADAMS 进行动力学仿真得到的曲线图.图2 击打组合体受力图图3 基于ADAMS 仿真得到的截流盘受径向力曲线图图4 基于ADAMS 仿真得到的截流盘受圆周力曲线图由图3可以看到,通过调试,虚拟样机的径向力为4117N ,这个力与实际计算的F r =4117.5N 一致.这时通过虚拟样机得到的F t 1就很接近其在工作状况时所受到的圆周力.图4就是F t 1的曲线图,由图4可见其圆周力为F t 1=4435N .1.3 击打锤的受力分析1)冲击力(随机力)与径向拉力(恒定力).击打锤的受力如图5所示:F t 3为击打锤所受最小侧向冲击力;F t 4为击打锤所受最大侧向冲击力;63 第4期汪 伟等:基于ADAMS 和ANSYS 的垃圾粉碎机运动部件设计F r 为击打锤所受拉力.图5 击打锤的受力图根据动量定理求得F t 3=82N ,F t 4=147N ;F r =F t 1=4117N .2)正面阻力公式的确定.由流体力学可知,无因次阻力系数与击打锤的形状、水的温度、物体在水中的速度都有关.考虑到粉碎机的工作温度高于室温,击打锤的速度基本恒定并且雷诺数Re =5 45 106>104[1],因为L /h =10 7>8,所以取C =1 2.又考虑到击打锤浸入水中的程度,又乘了一个系数W =0 7.当击打锤在液体中旋转一段时间后,液体会随击打锤一起运动,降低击打锤与水的相对速度,所以还要乘一个系数Z =0.8,这种情况下,正面阻力的公式为F 2=C W Z u 20/2 A.3)截流盘结构是圆形的,只受到液体的绕流阻力,无正面阻力,并且其绕流阻力也很小,在此忽略不计(F 3=0).4)击打锤受水阻力分布函数.因为击打锤是绕轴转动,故击打锤的头部和击打锤上销轴附近的速度是不一样的,在击打锤的头部的最大速度是V t 4=65 5m/s ,击打锤上销轴附近的最小速度是V t 3=36 5m/s ,分别对上下击打锤受到的液体阻力建立数学模型.把公式F 2=C H Z u 20/2 A 进行变形推导得到:F 21=(1/2) 0 1 C W Z 2 R 2 R0 11m<R <0 217mF 22=(1/2) C W Z 2 R 2[0 01 R +(1/2) (R -0 027)2 tan ]0 11m<R <0 217mF 22为上击打锤受液体阻力的数学模型;F 21为下击打锤受液体阻力的数学模型.其中R 是未知数,C,W,Z , , , 都是常量.由上击打锤受水阻力的数学模型可以看出,击打锤的受力是呈曲线分布,击打锤受水的阻力分布图如图1中力F .为求出击打锤受到水阻力的合力,采用积分的方法.比较数学模型 与 ,发现 包含在 当中.如图6,上击打锤受力的侧面是DHGFEC,下击打锤的受力侧面是DHG F.上击打锤的受力面积比下击打锤受力面积多三角形CFE.也就是说,上击打锤受到的水阻力的合力=下击打锤所受的水阻力的合力+三角形C FE 水阻力的合力.根据矩形D HGF 和三角形CFE 不同的图形特点,将上击打锤的受水阻力的数学模型分解,得到2个数学模型,一个就是下击打锤的受水阻力的数学模型,另一个是上击打锤的受水阻力的数学模型:图6 基于击打锤建立的坐标系F 23=(1/2) C W Z 2 R 2(1/2) (R -0 027)2 tan0 11m<R <0 217m式中,C,W,Z , , 都是常量,R 是变量.为求出下击打锤受水阻力的合力,首先根据 导出力元素 F ,在图6yox 坐标系下,矩形DHGF 中取微段d R,微段的面积元素是0 01 d R ,由积分求得下击打锤的阻力为896N .同理也可求上击打锤受到的阻力为1338N .1.4 截流盘上销轴与轴的受力截流盘单个销轴处所受的合力为7292N,轴所受到的扭矩为1764N m.2 核心零件的有限元分析2.1 单元类型的选择截流盘、击打锤和轴都是实体零件.故在有限元分析时可使用三维实体单元SOLID45.SOLID45是一种三维六面体单元,可用于建立各向同性固体力学问题的模型,它有8个节点,每个节点都有沿X ,Y,Z 方向的三个平移自由度.SOLID45单元可以用于分析大变形、大应变、塑性和屈服等问题.求解的输出结果包括节点位移各个方向的正应力和剪应力及各个主应力等效应力和应变等.2.2 关键点、节点和单元由于采用了三维实体单元,可以采用自由方式化分网格.应该注意的是为了保证网格的连续和不变形,零件应尽量不要有小的过度圆弧和圆倒角,因为在圆弧倒角处网格不但变形而且也特别密,这样在运算时要耗大量的机时,在后处理中,此处也会出现虚假的大应力,影响结果的分析.应根据受力状况来划分网格对于不受力或受力较小的地方网格划得大一些,对于应力较集中的地方网格划得密一些.64 郑州轻工业学院学报(自然科学版)2006年2.3 截流盘工作工况静应力分析图7为截流盘应力分布云图.截留盘是靠螺母的预紧力产生的摩擦力来约束其转动的,螺母就压在图7中间轴孔处的凸台上.此处的应力最大,为243MPa.击打锤上的力通过销轴作用在截流盘上,在截流盘与击打锤连接孔的周围应力也较大.2.4 上击打锤实际工作工况静应力分析图8为上击打锤应力分布图,最大应力73 8MPa.应力较大的位置在与截流盘相连接的销轴孔的周围.图7截流盘应力分布云图图8 上击打锤应力分布云图2.5 轴实际工作工况静应力分析图9为轴应力分布图,最大应力154MPa.应力较大的位置在键槽处如应力分布云图9b)和阶梯轴的过渡处如应力分布云图9a).2.6 应力分析结果截流盘在最大冲击力作用下的应力值为243MPa,冲击力作用的工况最大应力为73 8MPa.转轴的最大应力154MPa,冲击力作用的工况最大应力为135MPa.各零件的最大应力值都远小于材料的屈服极限392MPa,强度合格.3 结论1)如击打锤绕其与截流盘连接的销轴转动对截流盘所产生的圆周力这样变化的力是无法用数学方法得到的,可由ADAMS 进行动力学仿真得到.2)根据垃圾粉碎机的核心运动部件的实际工作情况可灵活运用流体力学的计算公式.图9 轴的应力分布云图3)通过ANSYS 对垃圾粉碎机的核心运动部件进行有限元分析,从结果可知,该种设计方法设计出零件完全可以满足强度要求.运用ADAMS 和ANSYS 两种手段对垃圾粉碎机进行设计,是一种十分有效的方法.4)传统的机械设计有的力计算不出来或者计算很费时,本文把传统的设计方法与现代方法结合起来,通过仿真分析和和实验验证,发挥现代设计方法的快速、准确、工作量小的优势,弥补了传统的理论计算和设计方法不足.在该方法的指导下研制出了QL 100型垃圾粉碎机,该粉碎机结构轻朽,强度达到了设计要求,取得了很好的效果,该设备已经通过了吉林省环保局的鉴定.参考文献:[1] 丁祖荣.流体力学[M ].北京:高等教育出版社,2003 [2] 申国顺,刘世忠.ANSYS 软件在薄壁箱梁剪力滞效应分析中的应用[J].甘肃科技纵横,2006,35(2):144 145 [3] 王旭,李金香.ANSYS 前处理器在大型水轮发电机电磁场计算中的应用[J].大电机技术,2003,(3):21 23 [4] 刘银虎,缪炳祺.多体动力学仿真软件ADAMS 理论基础及其功能分析[J].电子与封装,2005,5(4):25 28 [5] 续彦芳,崔俊杰,苏铁雄.虚拟样机技术及其在ADAMS中的应用[J].机械管理开发,2005,(1):70 71,7365 第4期汪 伟等:基于ADAMS 和ANSYS 的垃圾粉碎机运动部件设计。