【正文】 且在第一主應(yīng)變主要分布區(qū)域，應(yīng)變量由葉輪外緣向中心逐漸增大。且小于除圓盤摩擦力之外的單一載荷作用時的 軸向 應(yīng)力值。 對葉輪實(shí)體模型進(jìn)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(diǎn) 151260 個 。 應(yīng)力結(jié)果分析 因圓盤摩擦力與上述幾種載荷相較較小，且對葉輪影響不大，此處分析在圓盤摩擦力單獨(dú)作用下的第一主應(yīng)力分布情況，應(yīng)力分布結(jié)果如圖 335 所示 。 圖 331 周向應(yīng)變分布云圖 圓盤摩擦力 單獨(dú)作用下受力及變形分析 ANSYS 軟件分析過程 前 、 后蓋板外側(cè)任意半徑 r 處微小環(huán)形面積 dS=2πrdr所受摩擦阻力為 [18]： ? ? rd rgrf ???? 22d 2? 最大第一主應(yīng)變 最大變形 （ 32） 第 3 章 各種載荷單獨(dú)作用下葉輪受力分析 24 則有： ? ?grdsdf 2 2???? 由于泵內(nèi)流體流速很大，其雷諾數(shù) Re 大于臨界雷諾數(shù)，進(jìn)入阻力平方區(qū)，所以在一定粗糙度 下摩阻系數(shù) λ為常數(shù) [19]。最大第一主應(yīng)力為，與葉輪材料強(qiáng)度極限相比較小。 且前、后蓋板在變形集中區(qū)域的變形結(jié)果相似。 應(yīng)變 結(jié)果分析 徑向應(yīng)變 圖 319 為在流道流體壓力單獨(dú)作用下的葉輪 徑向應(yīng)變 分布云圖。 應(yīng)力結(jié)果分析 徑向應(yīng)力 圖 315 為在流道流體壓力單獨(dú)作用下的葉輪徑向應(yīng)力分布云圖。 圖 39 第一主應(yīng)變 分布云圖 變形 結(jié)果分析 圖 310 為在離心慣性力作用下的葉輪 位移矢量和分布云圖。 第一主應(yīng)力在前、后蓋板的分布是不相同的，其中后蓋板內(nèi)側(cè)的周向應(yīng)力分布明顯較前蓋板相應(yīng)部分大。 從圖中可以看出，在離心慣性力單獨(dú)作用下，葉輪的徑向應(yīng)力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。 葉輪主要參數(shù)機(jī)模型的創(chuàng)建 根據(jù)對葉輪實(shí)物的測繪數(shù)據(jù)，以 AutoCAD 軟件為平臺 ，創(chuàng)建葉輪二維模型 [11]， 得到葉片木模圖 （如圖 21） 及 葉輪結(jié)構(gòu)圖 （ 如圖 22） 。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個單元的流率。 ANSYS 軟件 提供的分析類型 結(jié)構(gòu)靜力分析 ： 用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。各單元在一些稱為 “ 結(jié)點(diǎn) ” 的離散點(diǎn)上相互連接。在 FLUENT流體力學(xué)分析中，獲得葉片和輪轂壓力和剪應(yīng)力分布，使用 ABAQUS軟件分析葉輪在流道流體壓力、剪應(yīng)力和離心慣性力共同作用下的應(yīng)力分布及整體變形結(jié)果。結(jié)果表明， 在 各種載荷 形式下，葉輪的 應(yīng)力 及變形情況均在安全范圍內(nèi)。 本文采用有限元分析軟件 ANSYS 對多級注水泵葉輪進(jìn)行靜力學(xué)分析，以得到其應(yīng)力及變形結(jié)果，找出應(yīng)力集中點(diǎn)，分析其可靠性，為泵的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。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(jié)的、簡單、獨(dú)立的點(diǎn)組成的幾何模型。這種方法容易漏掉重要的趨向與熱點(diǎn)，而最新的程序則利用圖形顯示來幫助用戶直接觀察運(yùn)算結(jié)果。當(dāng)運(yùn)動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的 運(yùn)動特性 ，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。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(yàn)臺上反復(fù)試驗(yàn)，最終得出符合要求的葉片形狀。 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(biāo)準(zhǔn)為 ：長度 mm；時間 s；密度 t/mm3；力 N； 彈性模量 MPa；應(yīng)力 Mpa； 角速度rad/s。 由圖可知，軸向應(yīng)力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)交界處及靠近葉輪出口部分葉片壓力面與前蓋板內(nèi)側(cè)交界處，且前者較后者明顯。 圖 37 周向應(yīng)變 分布云圖 周向應(yīng)變在前、后蓋板的分布情況是不同的， 其中前蓋板內(nèi)側(cè)的周向應(yīng)變分布明顯較后蓋板處相應(yīng)部分大。 本葉輪模型進(jìn)行分析時， 選取與離心慣性力單獨(dú)作用時相同的 SOLID187 號單元 及單位統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 由圖中可以看出，在流道流體壓力單獨(dú)作用下，軸向應(yīng)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。 在流道流體壓力單獨(dú)作用下，葉輪最大 軸向 應(yīng)變?yōu)?104mm，遠(yuǎn)小于葉輪實(shí)體尺寸。最大徑向拉應(yīng)力為 ，遠(yuǎn)小于葉輪材料強(qiáng)度極限。最大第一主應(yīng)變?yōu)?104mm，遠(yuǎn)小于葉輪實(shí)體尺寸 。 對葉輪實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，仍然選取 SOLID187 號單元， 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(diǎn) 151260 個 。 圖 337 變形分布云圖 本章小結(jié) 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(cè)液體壓力、圓盤摩擦力等載荷單獨(dú)作用下進(jìn)行受力分析 ，得出各向應(yīng)力、應(yīng)變及位移矢量和的分布結(jié)果及相應(yīng)數(shù)值。 由圖可知，在耦合載荷作用下，葉輪周向應(yīng)力主要分布在前后蓋板與葉片交界處，在周向應(yīng)力主要分布區(qū)域，應(yīng)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(yīng)力分布較前蓋板與葉片交界處明顯 。 由圖可知，在耦合載荷作用下，葉輪周向應(yīng)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(yīng)力主要分布區(qū)域，應(yīng)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(yīng)力 最大徑向應(yīng)變 第 4 章 多載荷聯(lián)合作用下葉輪受力分析 30 應(yīng)變較前蓋板與葉片交界處的應(yīng)變 明顯。本章結(jié)論為 葉輪設(shè)計的可靠性及合理性的校驗(yàn)提供了依據(jù)。最大徑向應(yīng)變?yōu)?105mm，遠(yuǎn)小于葉輪實(shí)體尺寸。 圖 41 徑向應(yīng)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(yīng)力分布境況相近 ，且徑向應(yīng)力在主要分布區(qū)域由葉輪外緣向中心逐漸增大。最大變形量為 104mm，與葉輪實(shí)體模型性相比較小。 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。 圖 329 周向應(yīng)變分布云圖 第一主應(yīng)變 圖 330 為在 前、后蓋板外壓 單獨(dú)作用下的葉輪 第一主應(yīng)變 分布云圖。 轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系為極坐標(biāo)系，設(shè)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(yīng)力結(jié)果分析 徑向應(yīng)力 圖 325 為在 前、后蓋板外壓 單獨(dú)作用下的葉輪 徑向應(yīng)力 分布云圖。 軸向應(yīng)變 圖 321 為在流道流體壓力單獨(dú)作用下的葉輪 軸向應(yīng)變 分布云圖。 圖 316 周向應(yīng)力分布云圖 從應(yīng)力分布云圖可以看出，最大周向應(yīng)力點(diǎn)為應(yīng)力集中點(diǎn)，其應(yīng)力值較離心慣性力單獨(dú)作用時的相應(yīng)應(yīng)力大。后者適用于簡單模型的流固耦合分析，結(jié)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(jié)果相同。 軸向應(yīng)變主要集中在靠近葉輪入口部分葉片壓力面與前蓋板內(nèi)側(cè)交界處，并由此向葉輪外 緣逐漸變小。 周向應(yīng)力在前、后蓋板的分布是不相同的，其中前蓋板內(nèi)側(cè) 的周向應(yīng)力分布明顯較后蓋板相應(yīng)部分大。在本章中，假設(shè)葉輪分別承受上述各種載荷單獨(dú)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(yàn)葉輪受力及設(shè)計合理性。可進(jìn)行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析 本文 研究內(nèi)容 學(xué)習(xí) ANSYS 有限元分析軟件，掌握模型靜力分析方法，熟練應(yīng)用各種載荷加載方法，能用表面效應(yīng)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(cè)液體壓力、圓盤摩擦力等載荷單獨(dú)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(jié)果并進(jìn)行總結(jié)； 針對應(yīng)力集中等問題對多級注水泵首級葉輪 安全性 進(jìn)行校核。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。有限元法的主要優(yōu)點(diǎn)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。根據(jù)仿真模擬結(jié)果對提高葉輪可靠性問題提出解決方案，計算結(jié)果為沖壓焊接葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析提供有效依據(jù)。 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(diǎn)是 轉(zhuǎn)速高，額定轉(zhuǎn)速為 2950r/min，工作壓力等級高，達(dá) ，因此該葉輪是多級注水泵結(jié)構(gòu)分析中的重點(diǎn)。 葉輪作為將原動機(jī)動力轉(zhuǎn)化為流體機(jī)械能的 重要部件， 按其機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為閉式、半閉式和開式三種 [2]。如果應(yīng)力卻維持在一個較低的水平，離心泵轉(zhuǎn)速提高，葉輪會與蝸殼發(fā)生干涉 ，并在保證葉輪的強(qiáng)度和剛度條件下提出葉輪的改進(jìn)方案。準(zhǔn)備這樣的模第 1 章 緒論 3 型可能極其耗費(fèi)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(xiàng)繁瑣乏味的工作。 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)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(yīng)。； 葉片出口角 26176。 圖 32 徑向應(yīng)力分布云圖 由上圖可以看出， 徑向應(yīng)力在前、后蓋板的分布不同， 其中后蓋板內(nèi)側(cè)的徑向應(yīng)力分布明顯較前蓋板處相應(yīng)部分大。 應(yīng)變 結(jié)果分析 徑向 應(yīng)變 圖 36 為在離心慣性力作用下的葉輪 徑向應(yīng)變 分布云圖。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。最大徑向應(yīng)力為，與葉輪材料強(qiáng)度極限相比較小。 圖 319 徑向應(yīng)變分布云圖 在流道流體壓力單獨(dú)作用下，葉輪最大應(yīng)變?yōu)?104mm，遠(yuǎn)小于葉輪實(shí)體尺寸。 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(jìn) 、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。 應(yīng)變 結(jié)果分析 徑向應(yīng)變 圖 328 為在 前、后蓋板外壓 單獨(dú)作用下的葉輪 徑向應(yīng)力 分布云圖。 設(shè) 圓盤外端圓柱部分半徑為 R，圓柱長度為 e。 最大第一主應(yīng)力為 ，說明圓盤摩擦力對葉輪的受最大第一主應(yīng)力 第 3 章 各種載荷單獨(dú)作用下葉輪受力分析 26 力影響較小 。 轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系為極坐標(biāo)系，查看葉輪 在圓盤摩擦力 作用下的受力及變形情況。 由圖可知，在耦合載荷作用下，葉輪 第一主應(yīng)力主要分布在靠近輪轂部分葉輪前、后蓋板與葉片交界處。 最大周向應(yīng)變 最大軸向應(yīng)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(yīng)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。 圖 47 軸向應(yīng)變分布云圖 第一主應(yīng)變 圖 48 所示 為在 耦合載荷 作用下的葉輪 第一主應(yīng)變 分布云圖。 由圖可知，在耦合載荷作用下，葉輪軸向應(yīng)力主要分布在葉片端部與葉輪前、后蓋板交界處。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(yàn)葉輪受力及設(shè)計合理性。 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。最大變形發(fā)生在后蓋板外緣流道出口處 。 圖 326 徑向應(yīng)力分布云圖 第一主應(yīng)力 圖 327 為在 前、后蓋板外壓 單獨(dú)作用下的葉輪 第一主應(yīng)力 分布云圖。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。 最大周向應(yīng)力 最大軸向應(yīng)力 第 3 章 各種載荷單獨(dú)作用下葉輪受力分析 17 圖 318 第一主應(yīng)力分布云圖 在流道流體壓力單獨(dú)作用下 ，最大第一主應(yīng)力為 MPa，最大第一主應(yīng)力所在區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中點(diǎn)，其他第一主應(yīng)力分布區(qū)域的應(yīng)力值均小于 100 MPa，說明此處應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯。 第 3 章 各種載荷單獨(dú)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。 由分析結(jié)果可知，在離心慣性力作用下，葉輪第一主應(yīng)變與第一主應(yīng)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。 圖 35 為在離心慣性力作用下的葉輪 第一主 應(yīng)力分布云圖。轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系為極坐標(biāo)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(dú)作用下葉輪受力分析 9 下的受力及變形情況。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(jìn)行交互式修改 [10]。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、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。 其中 前處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實(shí)體建模及 網(wǎng)格 劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)