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冷凝器管板有限元分析及疲劳分析傅吉坤;吴久江【摘要】用有限元分析的方法对冷凝器进行疲劳分析,并对分析结果进行评定.【期刊名称】《应用能源技术》【年(卷),期】2013(000)007【总页数】3页(P11-13)【关键词】有限元分析;疲劳【作者】傅吉坤;吴久江【作者单位】哈尔滨锅炉厂有限责任公司哈尔滨150046;哈锅锅炉容器工程有限责任公司,哈尔滨150046【正文语种】中文【中图分类】TK223.3.11 概述利用ANSYS程序软件对一台壳程承受交变载荷的换热器进行了疲劳分析，特别将管板的受力情况考虑其中。
按照ASMEⅧ-2，将受到换热管支撑的开孔管板简化为支撑在弹性基础上的无孔当量圆平板来分析。
管板可看成是有环形无孔区和中央孔区组成的组合板，将中央孔区简化为支撑在弹性基础上的弹性无孔当量圆平板来分析。
设计中的换热器为固定管板式换热器，其管箱-管板-壳体的连接属于法兰-焊接。
将管板看成两个区域即中央部分的圆形无孔区和周边上的环形无孔区组成，管板的简化模型如图1所示。
图1 管板的中央开孔区和环形无孔区2 有限元计算2.1 结构分析冷凝器是一台卧式列管式换热器，其设计参数见表1，结构形式如图2所示。
表1 数据参数壳程管程工作压力壳程管程-0.09 0.33设计压力/MPa 0.5/-0.1 0.5工作温度/℃ 进口 120～80 28出口 40 38设计温度/℃ 150 50腐蚀裕量/mm 0 1.5筒体材料 0Cr18Ni9 16MnR管板材料0Cr18Ni9Ⅲ工作压力(MPa)进口 0.1～ -0.09 0.35出口2.2 计算方案设备承受交变载荷，操作次数为12次/h，年操作时间为8000h。
强度计算条件:计算温度(壳程/管程)，150/50℃;计算压力(壳程/管程)，-0.1～0.5MPa/0.5MPa 。
材料在计算温度下的常数见表2。
图2 冷凝器简图表2 名称材料 St m/MPa Et /MPa壳程筒体0Cr18Ni9 137 1.87×105壳程不凝气出口接管0Cr18Ni9 137 1.87×105管板(除当量管板外)1.87 ×1050Cr18Ni9Ⅲ 137当量管板0.73×105所有材料泊松比取0.3。
5000 KN专用摩擦焊机传动参数设计尹海鹏;辛舟;孔永永【摘要】Transmission parameter is an important part of the transmission system. The transmission parameter determines the size of the headstock, the quality of the machine, the manufacturing cost and the lubrication conditions. lt is especial y important to fix a rational transmission parameter in a complete set of transmission system. High power and high torque are characteristic of the special 5000KN friction welding machine transmission system. Based on the principle of high power gear transmission being equivalent to the minimum moment of inertia, the transmission series are determined, and with the help of the entropy weight theory, the al ocation of transmission ratio is theoretical y optimized.%传动参数是传动系统的重要组成部分，传动参数直接关系到主轴箱尺寸的大小、整机质量、制造成本、润滑条件等，传动参数的合理确定在一套完整的传动系统中显得尤为重要。
连续驱动摩擦焊基本原理1．焊接过程连续驱动摩擦焊接时，通常将待焊工件两端分别固定在旋转夹具和移动夹具内，工件被夹紧后，位于滑台上的移动夹具随滑台一起向旋转端移动，移动至一定距离后，旋转端工件开始旋转，工件接触后开始摩擦加热。
此后，则可进行不同的控制，如时间控制或摩擦缩短量（又称摩擦变形量）控制。
当达到设定值时，旋转停止，顶锻开始，通常施加较大的顶锻力并维持一段时间，然后，旋转夹具松开，滑台后退，当滑台退到原位置时，移动夹具松开，取出工件，至此，焊接过程结束。
对于直径为16mm的45号钢，在2000r/min转速、8.6MPa摩擦压力、0.7s摩擦时间和161M Pa的顶锻压力下，整个摩擦焊接过程如图10所示。
从图中可知，摩擦焊接过程的一个周期可分成摩擦加热过程和顶锻焊接过程两部分。
摩擦加热过程又可以分成四个阶段，即初始摩擦、不稳定摩擦、稳定摩擦和停车阶段。
顶锻焊接过程也可以分为纯顶锻和顶锻维持两个阶段。
（1）初始摩擦阶段（t1）此阶段是从两个工件开始接触的a点起，到摩擦加热功率显著增大的b点止。
摩擦开始时，由于工件待焊接表面不平，以及存在氧化膜、铁锈、油脂、灰尘和吸附气体等，使得摩擦系数很大。
随着摩擦压力的逐渐增大，摩擦加热功率也慢慢增加，最后摩擦焊接表面温度将升到200～300℃左右。
在初始摩擦阶段，由于两个待焊工件表面互相作用着较大的摩擦压力和具有很高的相对运动速度，使凸凹不平的表面迅速产生塑性变形和机械挖掘现象。
塑性变形破坏了界面的金属晶粒，形成一个晶粒细小的变形层，变形层附近的母材也沿摩擦方向产生塑性变形。
金属互相压入部分的挖掘，使摩擦界面出现同心圆痕迹，这样又增大了塑性变形。
因摩擦表面不平，接触不连续，以及温度升高等原因，使摩擦表面产生振动，此时空气可能进入摩擦表面，使高温下的金属氧化。
第5期收稿日期:2023-04-10;修订日期:2023-05-14作者简介:秦永红(1998—),女,硕士,主要从事机械结构设计方向研究。
E-m ai l :1963077963@通信作者:严建文(1967—),男,教授,博导,享受国务院政府特殊津贴专家,公司董事长,从事高端装备制造及工艺、复杂尖端制造等研究。
E-m ai l :201474785@0引言目前,复合材料的模压工艺均采用三梁四柱结构液压机,不仅制作成本高、结构冗余、总高度过高、抗偏载系统薄弱或未设有抗偏载系统,使压制出的零件厚度不均匀。
国内双梁结构液压机的研发处于新兴阶段,尚未涉及到活动横梁高度调节问题,使压机无法适应复合材料模压工艺生产线模具高度不同需要活动横梁压制高度不同的情况。
本文根据复合材料压制工艺特性,设计一种双梁四柱的新型液压机结构,此结构活动横梁能配合不同模具高度调节位置,具有上下两个抗偏载系统。
1双梁液压机结构1.1液压机主要技术参数双梁液压机主要技术参数如表1所示。
1.2双梁液压机结构设计如图1所示,整机主要由活动横梁、底梁、栅格立柱、工作缸、调平缸、柱塞推梁缸、安全锁定装置、导向系统、压缩工作台等重要部件组成[1]。
机身结构件采用钢板焊接结构。
其中整体框架不同于传统复合材料液压机在于满足液压机强度、刚度要求的情况下,简化掉上横梁结构。
该液压机以立柱作为连接机架,四根立柱的顶部共同安装有活动横梁,活动横梁与四根立柱的交汇处均设有安全锁定装置,底梁的中部固定连接有主油缸,底梁上位于主油缸的四周两两对称固定连接有四个调平油缸。
通过设置对安全锁定装置上安装架活动横梁柱塞推梁缸栅格立柱下安装架调平缸导向系统压缩工作台工作缸锁紧螺母底梁图1双梁四柱液压机结构模型表1双梁四柱液压机主要技术参数项目双梁液压机单位公称力5000kN 液体工作压力24M Pa 工作缸压力1500kN 调平缸压力4×900kN 柱塞推梁缸压力4×600kN5000kN 双梁式复合材料液压机结构设计与有限元仿真秦永红1,严建文1,2,董娜2,李贵闪2,刘琼1,杨晨1,王海明1(1.安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232000;2.合肥合锻智能制造股份有限公司,安徽合肥230601)摘要:为解决复合材料三梁四柱液压机结构轻量化与成形工艺零件厚度不均匀问题,设计一台5000kN 新型双梁双抗偏载结构的液压机。
基于有限元的大型摩擦焊机主轴箱优化设计
徐浩;芮执元;王富强
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2013(000)003
【摘要】针对摩擦焊机的加工精度的问题,以预焙阳极专用摩擦焊机主轴箱作为研究对象,应用有限元仿真软件ANSYSWorkbench对箱体进行静态与模态分析,得到箱体最大应力、应变及(1～4)阶固有频率和各阶模态阵型,对得到的结果进行分析得到主轴箱具有较好的动态性能.选择箱体总质量与最大变形量为优化目标,筋板厚度等4个关键尺寸为设计变量,使最大变形量减少了61.22％,并减轻了主轴箱的质量和最大应力.根据灵敏度分析提出了优化方案,为大型摩擦焊机主轴箱结构改进或优化设计提供前提依据.
【总页数】3页(P114-116)
【作者】徐浩;芮执元;王富强
【作者单位】兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TG434
【相关文献】
1.基于ANSYS的40T摩擦焊机主轴箱有限元分析 [J], 朱海;杜如民;王松
2.基于CAE的转K4转向架加工专机主轴箱体的优化设计 [J], 路春玲;徐嘉乐
3.基于参数化的CAD/CAE摩擦焊机主轴箱多目标优化 [J], 杜勇;辛舟;赵士杰;张德鹏
4.基于有限元的秸秆压块机主轴箱体的热应变分析 [J], 朱家诚;蒋正龙;袁胜利;陶飞
5.基于有限元的140 kN摩擦焊机主轴箱响应面优化分析 [J], 赵旭东;李卫民因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
5000吨自由锻液压机本体设计与有限元分析的开题报告
本题目为5000吨自由锻液压机本体设计与有限元分析，项目主要是针对自由锻
液压机本体的设计以及有限元分析，对于液压机本体材质、结构参数、工作环境等进
行合理的设计和优化，以提高液压机的性能和可靠性。
项目的主要研究内容包括以下三方面：
1. 液压机的结构设计：该部分主要是对液压机的整体结构进行设计，包括机身、压力缸、活塞、进出口阀等。
同时需要考虑机身刚度、尺寸设计、装配精度等细节问题。
2. 液压机的力学分析：该部分主要是通过有限元分析或其他分析方法，对液压机进行结构力学分析和动力学分析。
在对机器结构进行优化时需要将分析结果用于指导
设计。
3. 液压机的优化设计：根据以上两个部分的分析结果，对液压机进行优化设计，包括结构参数的调整、材料的选择、加工工艺以及润滑系统、控制系统等部分的改进，以提高液压机的性能和可靠性。
本项目的研究将涉及液压机理论知识、机械设计、材料力学、有限元方法等多个方面，并需要深入了解液压机构件的制造和安装过程，保证液压机的质量和可靠性。
179中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2017.05 （下）5000kN 摩擦焊机是由某大学为电解铝预焙阳极导电装置铝导杆和阳极铸钢爪，进行摩擦焊接而自主研发的一种新型大吨位摩擦焊机。
它突破了传统导电装置焊接方法，提出了取消铝-钢爆炸焊片，直接对铝导杆和铸钢爪进行摩擦焊接的新思路。
导向机构的稳定可靠是这种摩擦焊机的技术核心部分，它的动态性能直接影响着焊接接头的强度、一致性、焊接效率、焊接精度等诸多指标。
因此导向机构的动态性能分析对于机构的结构和动力装置的优化改进具有十分重要的意义。
本文首先对导向机构进行模态分析，即确定设计结构的固有频率和振型等振动特性。
此特性可以为结构系统的振动分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
然后做导向机构的谐响应分析，这样可以保证导向机构在受迫振动下克服共振、疲劳及其他不利影响。
1 有限元模型的建立本文采用三维造型软件SolidWorks 对直线导轨和导柱及其部件进行了三维实体建模，然后导入到ANSYSWorkbench 中，得到如图1所示的模型。
将该模型忽略结构中的一些小特征，如倒角、螺纹、小孔等，因为这些特征虽然会增加网格划分后的单元数量，影响分析计算的效率，但是对于整个结构的动态特性影响却很小。
由于计算机计算能力有限，所以将部分部件省略，改用一些约束代替。
将立板之间的液压缸及其连接板，加强板等省略，改为立板之间的Z 向位移约束。
简化后模型如图2所示。
整个导向部分所用材料为Q235，其特性为：材料密度为7.85×103kg/mm 3，弹性模量为2×102N/mm 2，泊松比为0.3，材料阻尼0.1。
网格划分时采用四面体网格划分，节点数为163934，单元数为136003。
夹具在导柱上运动时受力情况复杂，为了计算简便可以把导柱与主轴箱和顶锻箱连接部5000kN 摩擦焊机导向机构模态及谐响应分析吴学宏1,2，芮执元1，李双艳2，杭上钰2，程辉2（1.兰州理工大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730050；2.甘肃有色冶金职业技术学院 机电工程系，甘肃 金昌 737100）摘要：为解决5000KN 摩擦焊机导向机构在工作过程中的爬行问题，需要对其进行仿真动力学分析。
5000KN连续驱动摩擦焊机自动上料装置有限元分析与结构
优化
张转丽;辛舟;胡文奇
【摘要】ANSYS Workbench is used to make the finite element analysis of automatic feeding device of 5000 KN continuous drive friction welding machine.According to the results of analysis,the structure optimization of steel claw,aluminum guide rod supporting frame and frame is accomplished.The optimization results indicate that on the premise that the maximum stress and deformation of the automatic feeding device are lowered,its weight is reduced significantly and the stability and reliability of the structure are improved.%利用ANSYS Workbench对5000KN连续驱动摩擦焊机自动上料装置进行有限元分析.根据分析结果对钢爪、铝导杆支撑架、车架部分结构优化.优化结果表明,在自动上料装置最大应力、变形都有所降低的前提下,质量明显减少,结构更平稳,可靠性提高.
【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2017(046)003
【总页数】3页(P137-139)
【关键词】摩擦焊机;自动上料装置;有限元分析;结构优化;可靠性
【作者】张转丽;辛舟;胡文奇
【作者单位】兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工
程学院,甘肃兰州730050;兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点
实验室,甘肃兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州730050
【正文语种】中文
【中图分类】TH122
自动上料装置是5000KN连续驱动摩擦焊机送料和卸料的重要装置。
自动上料装
置的强度与刚度、平稳性直接影响上下料速率，从而影响摩擦焊接的效率。
对自动上料装置进行有限元分析[1],根据分析结果做结构优化[2-3]，实现整个结构轻量化，提高刚度、强度、运行稳定性，从而提高结构可靠性[4]和生产效率。
1.1 有限元模型的建立
自动上料装置结构如图1所示，先在SolidWorks中建立三维模型，然后导入ANSYS workbench进行有限元分析。
材料选用Q235A,其弹性模量E=212GPa、泊松比μ=0.28、密度ρ=7.86×103kg/m3。
根据圣维南原理[5]，对自动上料装
置的部分圆角、倒角、螺孔等做简化处理。
网格划分采用ANSYS workbench自由网格划分法，一般可生成单元类型为10
节点四面体结构的solide187单元，精度较高。
载荷和约束的施加：自动上料装置在导轨底面施加固定约束，在钢爪、铝导杆支撑架上面相应位置施加垂直方向的最大载荷，保证精确计算自动上料装置的强度和刚度。
1.2 有限元分析
通过有限元分析得到自动上料装置的变形和应力分布情况如图2、图3所示。
由图2可知，自动上料装置的变形主要集中在钢爪、铝导杆支撑架及车架部分，
由于钢爪的质量远大于铝导杆的质量，因此最大变形出现在钢爪支撑架的前端，最
大变形量为0.733 47mm。
利用ANSYS workbench的结果后处理功能，分别指定两铝导杆支撑架侧面，生成变形云图，得到其最大变形分别为0.019 25mm、0.016 971mm,偏差率为13.44%，变形偏差较大。
图3表明自动上料装置整体的应力较小，最大应力发生在钢爪支撑架与车架接触的内侧边缘部分，为113.3MPa，远小于材料的屈服极限235MPa。
根据以上有限元分析结果，可以得出摩擦焊机自动上料装置分析结论：自动上料装置的低应力区域过多，且最大应力与抗拉强度比较，安全系数很大，结构可以进一步优化。
结构的最大变形、应力都发生在钢爪支撑架处，因此它是结构的薄弱环节，应进一步提高其刚度和强度；两铝导杆支撑架变形的偏差值影响铝导杆上料的平稳性，如果两者变形相差太大，则会使铝导杆发生倾斜，因此应降低二者的形变偏差值，并可对车架部分轻量化改进[6]。
2.1 钢爪支撑架结构改进
自动上料装置钢爪支撑架由槽钢100和Q235A板组成。
在图4的最大变形2处
加一矩形立板来提高刚度和强度。
取立板厚度分别40 mm,50 mm,60 mm,对其
进行静力学分析，分析结果显示，钢爪支撑架的最大变形随立板厚度增加而减小，40 mm～50 mm变化较大，50 mm～60 mm变化较小，取立板厚度为50 mm
较合适。
观察图2中钢爪支撑架变形云图，结合试验法，取立板的宽度140 mm
为最佳值。
另外，考虑钢爪支撑架加载位置及其应力分布，在Q235A板的1处切除一三角区域、3处切除一矩形区域，达到减轻质量的目的。
改进结构有限元变形和应力分布如图5所示。
改进前、后结构的有限元分析结果如表1所示。
从表1中分析可以看出：在质量增加4.75%的情况下，改进钢爪支撑架的最大变
形为0.520 37mm,减小了40.95%，最大应力也降低了15.91%，钢爪支撑架的刚
度和强度显著提高。
2.2 铝导杆支撑架结构改进
在受力小铝导杆支撑架(图6)箭头1所示位置切除一部分；受力大铝导杆支撑架图7除在箭头1处去除相同的部分外，还在箭头2处加一槽钢80，来提高其刚度。
图8是改进结构x方向的变形云图，受力小铝导杆支撑架最大变形为0.023
523mm,受力大铝导杆支撑架最大变形为0.024 635mm，偏差率降低为4.73%，质量减少了26.475kg,这表明改进结构可以极大改善铝导杆上料过程中的不平稳状况，对提高摩擦焊的精度及效率有重要意义。
2.3 车架结构改进
自动上料装置车架由槽钢100焊接而成，最大应力和材料屈服极限相比很富余，
对其作轻量化改进：和钢爪、铝导杆支撑架相连的槽钢仍选用槽钢100，确保连
接强度要求，其余槽钢改为63型号。
质量从366.554kg减小为294.257kg，整
个自动上料装置质量也相应的由958.436kg减小为865.189kg,变化率为10.78%。
将自动上料装置改进整体结构导入ANSYS Workbench进行有限元分析验证，其强度、刚度与以上分析一致，均满足要求。
1) 通过有限元静力分析可知，自动上料装置的最大应力为113.3MPa，满足强度
要求；为了进一步提高刚度和强度，减小变形偏差率，同时达到轻量化要求，在钢爪支撑架变形最大区域处加一立板，同时切除部分体积；受力小铝导杆支撑架去除一部分体积，受力大铝导杆支撑架在支架前端另外加一槽钢80；更换车架的大部
分槽钢为63型号。
2) 自动上料装置结构改进后，总质量减小10.78%，最大变形减少40.95%，最大应力降低15.91%，两铝导杆支撑架变形偏差率由13.44%减小为4.73%，提高了结构可靠性，优化了自动上料装置。
【相关文献】
[1] 高思煜,富宏亚,倪焱. 数控重型曲轴铣车复合加工机床旋风刀架有限元分析[J]. 中国机械工
程 ,2011,22(23): 2773-2777.
[2] 周孜亮,王贵飞,丛明. 基于ANSYS workbench的主轴箱有限元分析及优化设计[J]. 组合机床与自动化加工技术,2012(3):17-20.
[3] 孟建,孟敏,江平. 195柴油机连杆有限元分析及结构优化[J]. 机械传动,2012,36(7):65-68.
[4] 何雪浤,蒋彦收,孙志礼. 基于ANSYS/PSD模块的高速电主轴刚度可靠性分析[J]. 机电工
程,2011,28(6):645-648.
[5] 宋少云,尹芳. 有限元网格划分中的圣维南原理及其应用[J]. 机械设计与制造,2012(8):63-65.
[6] 明显诚,朱才朝,冉险生. 全地形车车架的静态性能分析与结构改进[J]. 重庆理工大学学报(自然科学版),2010(24):11-15.。
