【正文】 變形、大應變及接觸分析。典型的后處理模塊能顯示遍布于模型上的彩色等應力線圖，以表示不同的應力水平，顯示的整個應力場的圖像類似于光彈性法或云紋法的實驗結果。準備這樣的模第 1 章 緒論 3 型可能極其耗費時間，所以商用程序之間的相互競爭就在于：如何用最友好的圖形化界面的 “ 前處理 模 塊 ” ，來幫助用戶完成這項繁瑣乏味的工作。在這種方法中這些獨立的點的數(shù)量是有限的，因此被稱為有限元。如果應力卻維持在一個較低的水平，離心泵轉速提高，葉輪會與蝸殼發(fā)生干涉 ，并在保證葉輪的強度和剛度條件下提出葉輪的改進方案。 離心泵葉輪結構有限元分析研究進展 與傳統(tǒng)方法相比，用有限元法進行結構分析具有很多優(yōu)點。 葉輪作為將原動機動力轉化為流體機械能的 重要部件， 按其機械結構可分為閉式、半閉式和開式三種 [2]。 本文利用 大型有限元軟件 ，得到了葉輪在各種載荷形式下的應力、應變及變形情況。 本文中所涉及到的多級注水泵葉輪為閉式單吸后彎葉輪，其工作特點是 轉速高，額定轉速為 2950r/min，工作壓力等級高，達 ，因此該葉輪是多級注水泵結構分析中的重點。 20xx年，董曉嵐 [4]采用流固耦合分析法對離心泵葉輪的強度和剛度進行仿真，采用多幀參照技術對葉輪 蝸殼動靜干涉進行模擬。根據(jù)仿真模擬結果對提高葉輪可靠性問題提出解決方案，計算結果為沖壓焊接葉輪的結構設計及分析提供有效依據(jù)。 在實踐中，有限元分析法通常由三個主要步驟組成 [8]： 前處理 ：用戶需建立物體待分析部分的 模型 ，在此模型中，該部分的幾何形狀被分割成若干個離散的子區(qū)域 —— 或稱為 “ 單元 ” 。有限元法的主要優(yōu)點之一就是：許多不同類型的問題都可用相同的程序來處理，區(qū)別僅在于從單元庫中指定適合于不同問題的單元類型。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 流體動力學分析 ： ANSYS 流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)?？蛇M行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應分析、瞬態(tài)響應分析 本文 研究內容 學習 ANSYS 有限元分析軟件，掌握模型靜力分析方法，熟練應用各種載荷加載方法，能用表面效應單元等方 法解決非法向載荷等問題 ； 在 ANSYS 軟件中，分析多級注水泵首級葉輪在 離心慣性力、流道流體壓力、前后蓋板外側液體壓力、圓盤摩擦力等載荷單獨作用及耦合載荷作用下的受力及變形情況 ； 比較各種載荷形式下多級注水泵首級葉輪受力及變形結果并進行總結； 針對應力集中等問題對多級注水泵首級葉輪 安全性 進行校核。 基于 Pro/E軟件 的 上述 特點，本文 所分析的多級注水泵首級葉輪三維模型的創(chuàng)建 在Pro/E軟件 中實現(xiàn)。在本章中，假設葉輪分別承受上述各種載荷單獨作用，在 ANSYS 軟件中，分析葉輪在各種載荷作用下的受力及變形情況，校驗葉輪受力及設計合理性。 應力結果分析 徑向應力 圖 32 為在離心慣性力 單獨 作用下的葉輪徑向應力分布云圖。 周向應力在前、后蓋板的分布是不相同的，其中前蓋板內側 的周向應力分布明顯較后蓋板相應部分大。 由圖可以看出，在離心慣性力單獨作用下，第一主應力主要集中在靠近葉最大軸向應力 第 3 章 各種載荷單獨作用下葉輪受力分析 11 輪入口部分 葉片吸力面與后蓋板內側交界處，最大第一主應力為 MPa，遠小于葉輪材料強度極限。 軸向應變主要集中在靠近葉輪入口部分葉片壓力面與前蓋板內側交界處，并由此向葉輪外 緣逐漸變小。最大第一主應變?yōu)?104mm，遠小于葉輪實體尺寸。后者適用于簡單模型的流固耦合分析，結果精度較高，要求模型在WORKBENCH 軟件 和 FLUENT 軟件 中的網(wǎng)格劃分結果相同。轉換坐標系為極坐標 系，設置模型變形放大倍數(shù)為 273倍，查看葉輪在離 心慣性力作用下的受力及變形情況。 圖 316 周向應力分布云圖 從應力分布云圖可以看出，最大周向應力點為應力集中點，其應力值較離心慣性力單獨作用時的相應應力大。 在流道流體壓力單獨作用下，前、后蓋板的第一主應力分布情況并不相同。 軸向應變 圖 321 為在流道流體壓力單獨作用下的葉輪 軸向應變 分布云圖。 圖 323 變形分布云圖 在葉輪流道流體壓力單獨作用下，葉輪最大變形量為 102mm，遠小于葉輪實體模型尺寸。 轉換坐標系為極坐標系，設置模型變形放大倍數(shù)為 100 倍，查看葉輪在 前、后蓋板外壓 作用下的受力及變形情況 應力結果分析 徑向應力 圖 325 為在 前、后蓋板外壓 單獨作用下的葉輪 徑向應力 分布云圖。 由圖可知，在 前、后蓋板外壓 單獨作用下 第一主應力分布情況與周向應力近似。 圖 329 周向應變分布云圖 第一主應變 圖 330 為在 前、后蓋板外壓 單獨作用下的葉輪 第一主應變 分布云圖。由圖中可以看出，前、后蓋板變形分布情況相似，且后蓋板變形較前蓋板相應位置變形明顯。 2??? Rsf ? 圓柱部分相對粗糙度摩阻系數(shù) λ?與圓盤處摩阻系數(shù) λ近似相等，得到圓柱部分圓盤摩擦力分布圖如圖 333 所示。 轉換坐標系為極坐標系，設置模型變形放大倍數(shù)為 26139倍，查看葉輪 在圓盤摩擦力 作用下的受力及變形情況。最大變形量為 104mm，與葉輪實體模型性相比較小。 ANSYS 分析過程 以上一章節(jié)中葉輪受力分析過程為基礎， 選擇 與上一章節(jié)相同的 的 SOLID187 號單元 及單位統(tǒng)一標準。 圖 41 徑向應力分布云圖 由上圖可以看出，在耦合載荷作用下，葉輪前、后蓋板徑向應力分布境況相近 ，且徑向應力在主要分布區(qū)域由葉輪外緣向中心逐漸增大。 圖 43 軸向應力分布云圖 在耦合載荷作用下，葉輪最大軸向應力為 ，遠小于葉輪材 料強度極限。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，葉輪第一主應變 主要分 布在前、后蓋板與葉片交界處。本章結論為 葉輪設計的可靠性及合理性的校驗提供了依據(jù)。最大第一主應變?yōu)?105mm，遠小于葉輪實體尺寸。 由圖可知，在耦合載荷作用下，葉輪周向應變主要分布在靠近出口部分葉輪前、后蓋板與葉片交界處， 在周向應力主要分布區(qū)域，應變量由葉輪中心向外緣逐漸變大， 且后蓋板與葉片交界處的軸向最大第一主應力 最大徑向應變 第 4 章 多載荷聯(lián)合作用下葉輪受力分析 30 應變較前蓋板與葉片交界處的應變 明顯。 最大周向應力 最大軸向應力 第 4 章 多載荷聯(lián)合作用下葉輪受力分析 29 第一主應力 圖 44 所示 為在 耦合載荷 作用下的葉輪 周向應力 分布云圖。 由圖可知，在耦合載荷作用下，葉輪周向應力主要分布在前后蓋板與葉片交界處，在周向應力主要分布區(qū)域，應力值沿葉輪中心向外緣逐漸增大，且后蓋板與葉片交界處的應力分布較前蓋板與葉片交界處明顯 。其中流道流體壓力及圓盤摩擦力采用 SURF154 號單元的表面效應單元法進行加載， 利用軟件的通用后處理(POST1)查看模型的有限元計算結果，求解器類型選為 PCG。 圖 337 變形分布云圖 本章小結 本章在 ANSYS 軟件 中，對型號為 DH15812210 的 多級注水泵首級葉輪 分別 在 離心慣性力、流道流體壓力、前后蓋板外側液體壓力、圓盤摩擦力等載荷單獨作用下進行受力分析 ，得出各向應力、應變及位移矢量和的分布結果及相應數(shù)值。 圖 335 第一主應力分布云圖 由上圖可以看出，在圓盤摩擦力單獨作用下，第一主應力主要分布在靠近葉輪入口部分葉片端部與輪轂交界處。 對葉輪實體模型進行網(wǎng)格劃分時，仍然選取 SOLID187 號單元， 設置 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 。 取 葉輪表面絕對粗糙度 Ra=，則相對粗糙度 55 ~ ???DR a 按莫迪圖 [20]取 λ=， 得 前后蓋板外側圓盤摩擦力分布圖 332 所示。最大第一主應變?yōu)?104mm，遠小于葉輪實體尺寸 。 圖 327 徑向應力分 布云圖 由上圖可知， 在 前、后蓋板外壓 單獨作用下 ，前后蓋板第一主應力的分布特點相似。最大徑向拉應力為 ，遠小于葉輪材料強度極限。 前后蓋板外側壓力 單獨作用下受力及變形分析 ANSYS 軟件分析過程 離心泵的轉動部件與靜止部件之間必然存在間隙，當葉輪工作時，間隙兩側的流體由于獲得的能量不同而形成壓差，造成一部分高壓流體通過間隙向低壓側泄漏。 在流道流體壓力單獨作用下，葉輪最大 軸向 應變?yōu)?104mm，遠小于葉輪實體尺寸。 由分布云圖可以看出，在流道流體壓力單獨作用下，葉輪徑向應變分布情況與徑向應力分布情況基本一致。 由圖中可以看出，在流道流體壓力單獨作用下，軸向應力主要分布在靠近葉輪出口部分的葉片壓力面邊緣以及葉輪外緣處葉片吸力面端部。 由圖可知，徑向應力主要分布在靠近葉輪出口部分葉片壓力面與前、后蓋板交界處。 本葉輪模型進行分析時， 選取與離心慣性力單獨作用時相同的 SOLID187 號單元 及單位統(tǒng)一標準。由圖中位移分布結果可知，在離心慣性力單獨作用下，葉輪變形量由葉輪中心向葉 輪外緣逐漸變大，變形主要分布在葉輪前蓋板外緣。 圖 37 周向應變 分布云圖 周向應變在前、后蓋板的分布情況是不同的， 其中前蓋板內側的周向應變分布明顯較后蓋板處相應部分大。 圖 35 第一主應力 分布云圖 最大 第一主應力 點不在 第一主應力主要分布 區(qū)域，而在葉輪 入口處 葉片 壓力 面與 前蓋板內側交界部分 ，說明此處為葉輪結構因素引起的在離心慣性力作用下的第一主應力集中點 。 由圖可知，軸向應力主要集中在靠近葉輪入口部分葉片吸力面與后蓋板內側交界處及靠近葉輪出口部分葉片壓力面與前蓋板內側交界處，且前者較后者明顯。最大徑向應力為 MPa，遠小于葉輪材料的強度極限。 在 ANSYS 中沒有規(guī)定單位 [13]，需要用戶自己去定義自己的單位制， 本文中單位統(tǒng)一標準為 ：長度 mm；時間 s；密度 t/mm3；力 N； 彈性模量 MPa；應力 Mpa； 角速度rad/s。葉輪的主要設計 參數(shù) 為： 葉片進口直徑 101mm； 出口直徑 308mm； 葉片進口角 10176。為了獲得性能優(yōu)良的葉型，傳統(tǒng) 的方法是先根據(jù)模型換算法或速度系數(shù)法計算出流道、葉片截線及木模截線，然后根據(jù)圖紙制成模型，并在試驗臺上反復試驗，最終得出符合要求的葉片形狀。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結構在空間中的 運動特性 ，并確定結構中由此產(chǎn)生的應力、應變和變形。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響并不顯著的問題。這種方法容易漏掉重要的趨向與熱點，而最新的程序則利用圖形顯示來幫助用戶直接觀察運算結果。這些結點中有的有固定的位移，而其余的有給定的載荷。在這種方法中一個物體或系統(tǒng)被分解為由多個相互聯(lián)結的、簡單、獨立的點組成的幾何模型。針對分析結果分析得出：相對于壓力，剪應力對葉輪變形影響微不足道；葉輪結構在設計工況下結構安全；葉輪最高轉速可達到1780r/min。 本文采用有限元分析軟件 ANSYS 對多級注水泵葉輪進行靜力學分析，以得到其應力及變形結果，找出應力集中點，分析其可靠性，為泵的優(yōu)化設計提供參考依據(jù)。 關鍵詞 ：多級注水泵；葉輪；有限元分析 中國石油大學（華東）本科畢業(yè) 論文 Analysis on the Stress in First Stage Impeller of the Multistage Injection Pump Abstract After oilfield devotion development, along with mine time of growth, will constantly consume oil layer energy, the pressure of oil layer will continue to decline, resulting in the deficit of underground. In order to maintain or improve the pressure of oil layer, must be in a timely manner with the injection pump on the oil field to replenish groundwater. As an important ponent of the multistage injection pump, stress and deformation analysis of it will be the reference of it that to improve the pump′s performance and the optimal design of it, also