焦作大学毕业设计 第三章 传动滚筒的结构
即可。
在工作实践中表明，这种胀套联接的带式输送机滚筒，与其他形式联接的滚筒相比，有许多优点：
①制造和安装简单。安装胀套的轴和轮毂的加工不像过盈配合那样要求高精度的制造公差，安装胀套也无需加热、冷却或加压设备，只需将内、外弹性圈的联接螺栓按规定的拧紧力矩拧紧即可，并且定心性好，调整方便。
②互换性好，拆卸方便。因为拆卸时将联接螺栓拧松，即可使滚筒轴和筒体很容易地拆开。
③由于没有应力集中，这种结构的滚筒承载能力高，使用寿命长，整体强度高。
④这种结构的滚筒在运转过程中，超载时有安全保护作用，可以保证整机设备不受损坏。
（2）与环形胀套配套的滚筒结构
目前大型滚筒结构是：筒体的一部分与辐板、轮毂铸成一体的接盘与筒体焊接的滚筒。其轮毂与轴是胀套连接的结构，特点为：
①设计滚筒时，原则上尽可能对外装轴承式滚筒的两轴承间距取小值，两辐板间距取大值。这就意味着采用合理的结构布置来减少结构的弯曲应力。
②接盘与筒体之间的焊缝位置设在应力最小处，而且当滚筒旋转1 周时应力循环1次的位置。这时，滚筒的中部应力循环已达2 次。
③筒体钢板的纤维方向必须保证与筒体卷曲方向一致。
④辐板的刚性控制在最佳范围内，辐板刚性过大对轴和环形胀套、筒体都不利。
⑤轮毂与轴之间用双锥自动调心的环形胀套连接。
⑥调心轴承具有质量轻、体积小、寿命长等特点。我国钢芯带式输送机滚筒轴承寿命规定是15000h，而国际上已要求60000h 以上。
⑦轴承座选用具有二道迷宫密封，这种轴承座密封良好。 ⑧两辐板之间的间距一般大于或等于带宽。
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焦作大学毕业设计 第四章 传动滚筒有限元模型的建立与分析
第四章 传动滚筒有限元模型的建立与分析
4.1 传动滚筒有限元模型的建立
ANSYS 中有两种建立有限元模型的方式：实体建模和直接生成。有限元分析的最终目的是还原一个实际工程系统的数学行为特征，即分析必须针对一个物理原型建立准确的数学模型。实体建模是先对模型的几何特征进行描述，通过控制单元划分的大小及形状，使ANSYS 自动生成节点和单元，从而生成有限元模型。实体建模有很多优点，大部分用户在通常情况下采用该建模方法。直接建模法是先确定各个节点的位置，以及各个单元的形状，尺寸，再定义实体模型。直接生成法要求在建立网格时记录所有的节点号，需要用户留意网格划分的细节，一般来说比较耗时，也比较容易出错。
一般来说对于规模较小的问题才适于采用直接生成法，常见的问题都需要先通过实体建模生成几何模型，然后再对其划分网格生成有限元模型。在实体建立模型时，建立几何模型和生成有限元模型这两个步骤通常是交织进行的。建立几何模型的目的是生成有限元模型，在建立几何模型时要考虑到有限元模型的生成，生成有限元模型时如果出现问题或者单元形状不能满足要求还需要对几何模型进行修改或者简化，因此这两个步骤通常放在一起进行考虑。
4.1.1 几何模型的简化
传动滚筒是一个比较复杂的组合体，建立几何模型时，要适当的采取一些简化措施。
本文在建模过程中，对传动滚筒结构的简化如下： （1）略去一些小的特征如导角、圆角、键槽等； （2）轴直径尺寸差异不大的统一为一个尺寸；
（3）在有限元计算时,将焊缝联接的零部件视为连续的整体；
（4）略去次要构件，如轴承座（将其简化成对轴的约束）、联轴器、胀套预紧用的螺钉、螺钉孔等；
（5）对于包胶滚筒，不考虑它和滚筒体间的相互作用，把它和筒体视为一个整体。
4.1.2 坐标系的选择
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ANSYS 为用户提供了多种坐标系，在传动滚筒建模过程中主要用到全局坐标系和局部坐标系，主要为直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。在默认情况下，全局直角坐标系为激活坐标系，即正在作为参考的坐标系，灵活的运用各种全局坐标系往往能够使建模的过程更加简单。用户根据自己需要还可以建立局部坐标系。此外，还有节点坐标系、单元坐标系和结果坐标系等，它们在传动滚筒的加载和后处理过程中将会用到。节点坐标系用于定义节点自由度的方向；单元坐标系决定了单元的正交材料属性、所施加的压力以及结果（如应力、应变）；结果坐标系用于结果的显示。
4.1.3 模型的建立
本文采用实体建模的方式。实体建模有两种思路：自底向上的构造模型和自顶向下的构造模型。为了便于建立传动滚筒的参数化模型，本文采用自底向上的建模方式。首先提取滚筒的结构参数，如滚筒轴直径，胀套尺寸、轮毂尺寸、辐板尺寸、筒体厚度、轴承间距和辐板间距等。然后建立相应部位的各个关键点，由点生成线和面，利用旋转等方法完成整个模型的建立。
（1）建立关键点：建立传动滚筒体的二分之一剖面上各个部件的关键点，如图4.4所示。
（2）由关键点生成线，通过LSTR 命令连接滚筒各部件的关键点，生成各部件的剖面线。
（3）由线生成面，通过AL 命令把已定义的各部件的边界线生成剖面。如图4.5 所示。
（4）由面旋转生成体，通过VROTAT 命令把各部件的剖面绕滚筒轴中心线旋转生成滚筒体，如图4.6 所示。
图 4.4 传动滚筒半剖面关键点
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图4.5 传动滚筒半剖面
图4.6 旋转后生成的传动滚筒模型
4.1.4 定义单元属性
在网格划分之前，需要定义单元属性，包括单元类型，实常数和材料模型等。这些属性对有限元分析来说，非常重要，不仅影响到网格划分，而且最关键的是，对求解的精度影响极大。
（1）定义单元类型
有限元的基本点在于将实体离散为有限自由度的一个个单元，每个单元在内部遵从一定的位移模式，而在各单元的连接处保持连续。对不同的问题，需要应用不同特性的有限单元，以反映其特点，从而达到最佳的分析效果。因此，对有限元分析，选择合适的有限单元极为重要。单元选择不当，则分析结果可能误差较大，甚至完全不对。
ANSYS 的单元库提供100 多种单元类型，单元类型决定了单元的自由度数和
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焦作大学毕业设计 第四章 传动滚筒有限元模型的建立与分析
单元位于二维空间还是三维空间。在选择单元类型时，力求反映滚筒结构的力学特性为前提，同时尽可能选择简单的单元，使滚筒模型既能反映滚筒的实际特性又能提高计算效率。对于滚筒轴、轮毂、筒体和胀套采用SOLID45 单元。SOLID45 单元共有8 个节点（I、J、L、M、N、O、P），每个节点有三个沿x，y，z 方向的平动自由度。求解后输出的结果包括个节点的位移UX、UY 、UZ ，节点和单元坐标轴方向的应力
?X 、?Y 、?Z 、?XY 、?YZ 、?ZX 以及主应力
?1 、?2 、?3等。单元具有塑性,蠕变,膨胀,应力强化,大变形和大应变能
力。对于轴与轮毂的过盈配合和胀套结构采用刚体——柔体之间的接触算法，刚性面采用Target170 单元来模拟；柔性面采用Contal174 单元来模拟。使用这两个单元来定义接触对，程序通过一个共享的实常数号来识别接触对，即目标单元和接触单元采用相同的实常数号。
（2）定义材料属性
根据应用范围的不同，材料可以是线性和非线性的，各向同性、正交异性或非弹性，不随温度变化或者随温度变化。像单元类型和单元实常数一样，每一组材料属性也有一个材料属性参考号。与材料属性组对应的材料属性参考号表称为单元属性表。在一个分析中，可能有多个材料属性组。在创建单元时可以使用相关命令通过材料属性参考号来为单元分配其采用的材料属性组。
（3）赋予单元属性
为模型定义单元类型、实常数以及材料属性后，在网格划分之前或网格划分过程中，还需要将特定的属性附给特定的实体对象。在生成单元时可以通过指向各个表(单元类型表、实常数表和材料属性表)中合适的编号来为要生成的单元定义单元属性。分别为筒体、辐板和轴赋予不同编号的实常数和材料属性。
4.1.5 网格划分
已经建立的传动滚筒的模型，需要对其划分网格，生成包含节点和单元的有限元模型。ANSYS 为有限元模型的网格划分提供了两种方法，一是自由网格(free)方法；二是映射网格(mapped)方法[29]。在对模型划分网格之前，甚至在建立模型之前，确定是采用自由网格还是采用映射网格进行分析是十分重要的。
自由网格对于单元形状没有限制，并且对几何模型没有特殊的要求。与自由网格相比，映射网格对其包含的单元形状有限制，而且要求几何模型必须满足特
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