【正文】 葉片端部。 圖 315 徑向應力分布云圖 由上圖可知，在流道壓力單獨作用下，葉輪最大徑向應力點不在徑向應力分布區(qū)域，說明此處也存在應力集中問題，且應力集中情況較離心力單獨作用時大 ，因此在設(shè)計、建模時應避免因結(jié)構(gòu)問題引起的應力集中現(xiàn)象。圖 311和圖 312 分別 為在葉輪葉片表面和葉輪前后蓋板內(nèi)側(cè)流道表面創(chuàng)建的表面效應單元。 圖 310 變形分布云圖 在離心慣性力單獨作用下，葉輪最大變形量為 103mm，遠小于葉輪實體尺寸。 由分析結(jié)果可看出，在離心慣性力單獨作用下，軸向應變的分布情況與軸向應力分布情況相似。 由圖可知，在離心慣 性力單獨作用下，徑向應變分布情況與徑向應力分布情況相似，主要集中在靠近葉輪入口部分葉片吸力面與后蓋板內(nèi)側(cè)交界處，并由此向葉輪外緣逐漸變小。 圖 34 軸向 應力分布云圖 由圖中可以看出，最大 軸 向 應力點不在 軸向 應力 主要分布 區(qū)域，而在葉輪外緣處葉片吸力面與后蓋板內(nèi)側(cè)交界部分 ，說明此處為葉輪結(jié)構(gòu)因素引起的在離心慣性力作用下的軸向應力集中點 。 周向應力 圖 33 為在離心慣性力作用下的葉輪 周向 應力分布云圖。 對葉輪實體模型進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元尺寸為 5，采用自由網(wǎng)格劃分方式，共將模型離散為單元 84831 個，節(jié)點 151260 個，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖 31 所示。； 葉片厚度 6mm；葉片包角 130176。為了解決這一問題，最有效的途徑是對水泵葉輪葉片進行三維造型，并通過流場分析來初步得到葉輪內(nèi)部的壓力、速度等分布狀況，做出初步的性能分析，從而為模型制造與生產(chǎn)節(jié)省成本和時間。 聲場分析 程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。 結(jié)構(gòu)動力學分析 ： 結(jié)構(gòu)動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。 ANSYS 軟件簡介 ANSYS 軟件 概 述 ANSYS 軟件 是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用 有限元分析軟件 。有些預處理模塊作為計算機化的畫圖和設(shè)計過程的組成部分，可在先前存在的 CAD 文件中覆蓋網(wǎng)格，因而可以方便地完成有限元分析。由實際的物理模型中推導出來得平衡方程式被使用到每個點上，由此產(chǎn)生了一個方程組 。 20xx年，周玉豐 [5]以 LB50— 160型離心泵的葉輪為分析對象，利用 ANSYS軟件對葉輪在流道流體壓力和離心慣性力共同作用下進行應力結(jié)果分析，得出應力分布結(jié)果及規(guī)律，為葉輪蓋板的強度計算提供了可靠依據(jù)，驗證了有限元建模方法和計算方法的正確性，為進行不同類型的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計提供了參考。傳統(tǒng)方法對葉輪這樣具有復雜形狀的部件進行強度 計算時，只能采用簡化和近似的方法，尤其是對于例如葉片端部與前、后蓋板交界處這樣細微部分進行分析時很難得到精確結(jié)論，然而此處往往是應力集中問題發(fā)生的區(qū)域。閉式葉輪適用于輸送清潔液體；半閉式和開式葉輪適用于輸送含有固體顆粒的懸浮液，這類泵的效率低。 葉輪作為 多級注水泵 的重要部件， 對其進行 應力 及變形分析， 為 提高多級注水泵 的性能，優(yōu)化 葉輪 結(jié)構(gòu)，指導設(shè)計生產(chǎn) 提供參考依據(jù) 。根據(jù)葉輪上葉片上的幾何形狀，可將葉片分為后彎、徑向和前彎三種，由于后彎葉片有利于液體的動能轉(zhuǎn)換為靜壓能，故而被廣泛采用。針對應力集中問題進行分析，為葉輪 的優(yōu)化設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)依據(jù)。葉輪變形的總位移隨半徑的增大不斷變大，并在葉輪邊緣達到最大值。元的數(shù)目到達一定高度后解的精確度不再提高，只有計算時間不斷提高 [7]。商用程序可能帶有非常大的單元庫，不同類型的單元適用于范圍廣泛的各類 問題。 其中 前處理模塊提供了一個強大的實體建模及 網(wǎng)格 劃分工具，用戶可以方便地構(gòu) 造有限元模型 ； 分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透（ 11） 第 1 章 緒論 4 明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、 曲線 形式 顯示或輸出。 結(jié)構(gòu)非線性分析 ： 結(jié)構(gòu)非線性導致結(jié)構(gòu)或部件的響應隨外載荷不成比例變化。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計和分析 領(lǐng)域。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、 麥克風等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析。載荷 /邊界條件與網(wǎng)格都直接與基礎(chǔ)設(shè)計模型相關(guān)聯(lián)，并能像設(shè)計時一樣進行交互式修改 [10]。 圖 23 葉輪三維模型 第 3 章 各種載荷單獨作用下葉輪受力分析 8 第 3章 各種載荷單獨作用下葉輪受力分析 前言 多級注水泵在正常工作條件下，主要承受離心慣性力、 流道流體壓力、前后蓋板外側(cè)液體壓力、圓盤摩擦力等載荷作用。轉(zhuǎn)換坐標系為極坐標系，設(shè) 置模型變形放大倍數(shù)為 3247倍，查看葉輪在離 心慣性力作用第 3 章 各種載荷單獨作用下葉輪受力分析 9 下的受力及變形情況。 圖 33 周 向應力分布云圖 最大 徑向應力 最大周向應力 第 3 章 各種載荷單獨作用下葉輪受力分析 10 由圖中可以看出，最大周向應力點不在周向應力 主要分布 區(qū)域，而在葉輪外緣處葉片吸力面與后蓋板內(nèi)側(cè)交界部分 ，說明此處為葉輪結(jié)構(gòu)因素引起的在離心慣性力作用下的周向應力集中點 。 圖 35 為在離心慣性力作用下的葉輪 第一主 應力分布云圖。 周向應變 圖 37 為在離心慣性力作用下的葉輪 徑向應變 分布云圖。 由分析結(jié)果可知，在離心慣性力作用下，葉輪第一主應變與第一主應力分布情況相似，主要集中在靠近葉輪入口部分葉片吸力面與后蓋板內(nèi)側(cè)交界處。 前 者切割模型法適用于復雜模型的非均布載荷加載，優(yōu)點在于方便載荷以選取表面的形式進行施加，不足之處為不能很好地保證結(jié)果的精確程度。 第 3 章 各種載荷單獨作用下葉輪受力分析 15 圖 313 流道壓力分布結(jié)果 圖 314 流道壓力加載結(jié)果 利用軟件的通用后處理 (POST1)查看模型的有限元計算結(jié)果，求解器類型選為 PCG。最大周向應力為，最大周向應力點處于葉輪外緣葉片吸力面與前蓋板內(nèi)側(cè)交界處。 最大周向應力 最大軸向應力 第 3 章 各種載荷單獨作用下葉輪受力分析 17 圖 318 第一主應力分布云圖 在流道流體壓力單獨作用下 ，最大第一主應力為 MPa，最大第一主應力所在區(qū)域為應力集中點，其他第一主應力分布區(qū)域的應力值均小于 100 MPa，說明此處應力集中現(xiàn)象較明顯。 最大第一主應力 最大徑向應變 第 3 章 各種載荷單獨作用下葉輪受力分析 18 圖 320 周向應變分 布云圖 在流道流體壓力單獨作用下，葉輪最大周向應變?yōu)?104mm，遠小于葉輪實體尺寸。由圖中可以看出，葉輪變形主要發(fā)生在前后蓋板外緣流道出口處，且在變形集中區(qū)域變形量由葉輪外緣向中心逐漸變小。 利用軟件的通用后處理 (POST1)查看模型的有限元計算結(jié)果，求解器類型選為 PCG。 圖 326 徑向應力分布云圖 第一主應力 圖 327 為在 前、后蓋板外壓 單獨作用下的葉輪 第一主應力 分布云圖。最 大周向應變?yōu)?104mm，遠小于葉輪實體尺寸 。最大變形發(fā)生在后蓋板外緣流道出口處 。39。 利用軟件的通用后處理 (POST1)查看模型 的有限元計算結(jié)果，求解器類型選為 PCG。 由圖可知， 變形主要發(fā)生在葉輪外緣部分，且沿葉輪中心向葉輪外緣逐漸變小。在本章中， 利用 ANSYS軟件，分析葉輪在 耦合載荷 作用下的受力及變形情況 [23][24]，校驗葉輪受力及設(shè)計合理性。且小于除圓盤摩擦力之外的單一載荷作用時的徑向應力值。 由圖可知，在耦合載荷作用下，葉輪軸向應力主要分布在葉片端部與葉輪前、后蓋板交界處。 由圖可知，在耦合載荷作 用下，葉輪 徑向應變分布情況與徑向應力分布情況相近，主要分布在葉片與前、后蓋板交界處，且在應變主要分布區(qū)域，應變量由葉輪外緣向中心逐漸增大。 圖 47 軸向應變分布云圖 第一主應變 圖 48 所示 為在 耦合載荷 作用下的葉輪 第一主應變 分布云圖。結(jié)果表明，在耦合載荷作用下，葉輪應力、應變及變形結(jié)果均小于除圓盤摩擦力之外的單一載荷分析結(jié)果 ，葉輪受載荷影響較小 。 最大周向應變 最大軸向應變 第 4 章 多載荷聯(lián)合作用下葉輪受力分析 31 圖 48 第一主應變分布云圖 變形結(jié)果分析 圖 49 所示 為在 耦合載荷 作用下的葉輪 變形量 分布云圖。最大周向應變?yōu)?最大徑向應變?yōu)?105mm，遠小于葉輪實體尺寸。 由圖可知，在耦合載荷作用下，葉輪 第一主應力主要分布在靠近輪轂部分葉輪前、后蓋板與葉片交界處。最大軸向應力為 ， 遠小于葉輪材料強度極限。 轉(zhuǎn)換坐標系為極坐標系，查看葉輪 在圓盤摩擦力 作用下的受力及變形情況。 并與葉輪相關(guān)參最大第一主應變 最大變形 第 3 章 各種載荷單獨作用下葉輪受力分析 27 數(shù)進行比較驗證，分析結(jié)果表明，在上述各種載荷單獨作用下，葉輪的各向應力值均在安全范圍內(nèi)，各向應變及變形量遠小于葉輪實體尺寸。 最大第一主應力為 ，說明圓盤摩擦力對葉輪的受最大第一主應力 第 3 章 各種載荷單獨作用下葉輪受力分析 26 力影響較小 。表面效應單（ 33） （ 34） （ 36） （ 35） 103Pa 103Pa 103Pa 103Pa 103Pa 103Pa 第 3 章 各種載荷單獨作用下葉輪受力分析 25 元選用 SURF154 號單元 [22]， 該單元適用于三維結(jié)構(gòu)分析，可覆于任何三維單元表面，并可施加各種載荷和表面效應。 設(shè) 圓盤外端圓柱部分半徑為 R，圓柱長度為 e。 最大徑向應變 最大 周向應變 第 3 章 各種載荷單獨作用下葉輪受力分析 23 圖 330 周向應變分布云圖 由上圖可以看出， 在 前、后蓋板外壓 單獨作用下 ，葉輪前、后蓋板第一主應變分布結(jié)果近似。 應變 結(jié)果分析 徑向應變 圖 328 為在 前、后蓋板外壓 單獨作用下的葉輪 徑向應力 分布云圖。 圖 325 徑向應力分布云圖 P2= P2= P1= P3= （ 31） 最大徑 向應力 第 3 章 各種載荷單獨作用下葉輪受力分析 21 由上圖可知， 在 前、后蓋板外壓 單獨作用下 ，前后蓋板徑向應力分布情況相似。 由于密封環(huán)處存在間隙產(chǎn)生液體泄漏，液體由葉輪蓋板外側(cè)的高壓區(qū)向葉輪進 、出 口處的低壓區(qū)流動 ，使葉輪前、后蓋板外側(cè)承受液體壓力作用。 圖 321 軸向應變分布云圖 第一主應變 圖 322 為在流道流體壓力單獨作用下的葉輪 第一主應變 分布云圖。 圖 319 徑向應變分布云圖 在流道流體壓力單獨作用下，葉輪最大應變?yōu)?104mm，遠小于葉輪實體尺寸。最大軸向應力為 MPa，由云圖中應力變化情況可以看出，最大軸向應力所在點為應力集中點。最大徑向應力為，與葉輪材料強度極限相比較小。為保證結(jié)果的精確性，應用表面效應單元法 [15]，在加載施加面以選取面單元的形式，按照壓力分布結(jié)果進行逐個單元加載，保證分析結(jié)果的準確 性。且前、后蓋板的變形分布情況不相同，前蓋板的變形較后蓋板明顯。 軸向應變 圖 38 為在離心慣性力作用下的葉輪 徑向應變 分布云圖。 應變 結(jié)果分析 徑向 應變 圖 36 為在離心慣性力作用下的葉輪 徑向應變 分布云圖。 葉片吸力面與后蓋板內(nèi)側(cè)交界處的周向應力由葉輪中心向外緣逐漸遞減，葉片壓力面與前蓋板內(nèi)側(cè)交界處的周向應力由葉輪外緣向中心逐漸遞減，最大徑向應力為 MPa，遠小于葉輪材料強度極限。 圖 32 徑向應力分布云圖 由上圖可以看出， 徑向應力在前、后蓋板的分布不同， 其中后蓋板內(nèi)側(cè)的徑向應力分布明顯較前蓋板處相應部分大。 葉輪材質(zhì)為 ZG1Cr13NiMo， 材料抗拉極限 σb 為 495MPa， 密度取為 109t/mm3，彈性模量 取為 2 105 MPa，泊松比取為 。； 葉片出口角 26176。整個過程費時、費力且成本高。另外，還可以使用三維表面效應單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應。 熱分析 ： 程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大