【正文】 造有限元模型 ； 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)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(jì)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(jì)算結(jié)果以圖表、 曲線 形式 顯示或輸出。元的數(shù)目到達(dá)一定高度后解的精確度不再提高，只有計(jì)算時(shí)間不斷提高 [7]。針對應(yīng)力集中問題進(jìn)行分析，為葉輪 的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論數(shù)據(jù)依據(jù)。 葉輪作為 多級注水泵 的重要部件， 對其進(jìn)行 應(yīng)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(dǎo)設(shè)計(jì)生產(chǎn) 提供參考依據(jù) 。傳統(tǒng)方法對葉輪這樣具有復(fù)雜形狀的部件進(jìn)行強(qiáng)度 計(jì)算時(shí)，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(xì)微部分進(jìn)行分析時(shí)很難得到精確結(jié)論，然而此處往往是應(yīng)力集中問題發(fā)生的區(qū)域。由實(shí)際的物理模型中推導(dǎo)出來得平衡方程式被使用到每個(gè)點(diǎn)上，由此產(chǎn)生了一個(gè)方程組 。 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 。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。為了解決這一問題，最有效的途徑是對水泵葉輪葉片進(jìn)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(shí)間。 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(gè)，節(jié)點(diǎn) 151260 個(gè)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖 31 所示。 圖 34 軸向 應(yīng)力分布云圖 由圖中可以看出，最大 軸 向 應(yīng)力點(diǎn)不在 軸向 應(yīng)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(yīng)力集中點(diǎn) 。 由分析結(jié)果可看出，在離心慣性力單獨(dú)作用下，軸向應(yīng)變的分布情況與軸向應(yīng)力分布情況相似。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(yīng)單元。 圖 317 軸向應(yīng)力分布云圖 在流道壓力單獨(dú)作用下，前后蓋板和輪轂部分的軸向應(yīng)力較小且分布均勻，軸向應(yīng)力主要分布在葉輪出口部分的葉片端部。 由圖中可以看出，第一主應(yīng)變主要分布在葉 輪前、后蓋板外緣靠近葉片吸力面部分以及葉片靠近葉輪外緣部分。 周向應(yīng)力 圖 326 為在 前、后蓋板外壓 單獨(dú)作用下的葉輪 周向應(yīng)力 分布云圖。 變形 結(jié)果分析 圖 331 為在 前、后蓋板外壓 單獨(dú)作用下的葉輪 變形 分布云圖。 按照載荷分布特點(diǎn)，分別在前蓋板圓柱表面、前蓋板圓盤外表面、后蓋板圓盤外表面、后蓋板圓柱表面分別創(chuàng)建表面效應(yīng)單元。由于模型形狀等因素，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。且小于除圓盤摩擦力之外的單一載荷作用時(shí)的周向應(yīng)力值。 圖 46 周向應(yīng)變分布云圖 軸向應(yīng)變 圖 47 所示 為在 耦合載荷 作用下的葉輪 軸向應(yīng)變 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 施加耦合載荷，分析葉輪在 離心慣性力、流道流體壓力、前后蓋板外側(cè)液體壓力、圓盤摩擦力等載荷共同作用下的受力及變形情況，得出相應(yīng)各向應(yīng)力、應(yīng)變及變形情況。 圖 44 最大第一主應(yīng)力分布云圖 應(yīng)變結(jié)果分析 徑向 應(yīng)變 圖 45 所示 為在 耦合載荷 作用下的葉輪 徑向應(yīng)變 分布云圖。最大徑向應(yīng)力 為 ，遠(yuǎn)小于葉輪材料強(qiáng)度極限。 圖 336 第一主應(yīng)力分布云圖 變形 結(jié)果分析 圖 337 為在 圓盤摩擦力 單獨(dú)作用下的葉輪 變形 分布云圖。 2? 則有 ? ?2g39。 由圖中可以看出，周向應(yīng)變主要分布在前后蓋板外緣與葉片交界處。按照上述前、后蓋板外壓計(jì)算結(jié)果，在葉輪前后蓋板表面施加壓力載荷。 可知周向應(yīng)變主要分布在葉輪前蓋板外緣靠近葉片吸力面部分以及葉輪后蓋板靠近葉片壓力面部分。 從圖中可以看出，最大徑向應(yīng)力 第 3 章 各種載荷單獨(dú)作用下葉輪受力分析 16 周向應(yīng)力主要分布在靠近出口部分葉片與前后蓋板內(nèi)側(cè)交界處。 常用的加載方式為切割模型實(shí)體和在 WORKBENCH 軟件直接導(dǎo)入由 FLUENT 軟件導(dǎo)出的壓力分布結(jié)果 [14]。 圖 36 徑向應(yīng)變 分布云圖 最大第一主應(yīng)力 最大徑向應(yīng)變 第 3 章 各種載荷單獨(dú)作用下葉輪受力分析 12 徑向 應(yīng)變 在前、后蓋板的分布是不同的， 其中后蓋板內(nèi)側(cè)的徑向應(yīng)變分布明顯較前蓋板處相應(yīng)部分大。最大周向應(yīng)力為 MPa， 遠(yuǎn)小于葉輪材料的強(qiáng)度極限。 圖 21 葉輪葉片木模圖 圖 22 葉輪結(jié)構(gòu)圖 第 2 章 多級注水泵首級葉輪三維模型結(jié)構(gòu) 7 利用已有的葉片水力木模圖數(shù)據(jù)，結(jié)合 Pro/E軟件實(shí)現(xiàn)葉片、葉輪及流道的三維實(shí)體造型如圖 23所示。 第 1 章 緒論 5 壓電分析 ： 用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對 AC（交流）、 DC（直流）或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。 ANSYS 可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動響應(yīng)分析。矩陣 K 的形式取決于求解問題的類 型，本模塊將概述桁架與線彈性體應(yīng)力分析的方法。結(jié)果表明，各工況流量下， 葉 輪應(yīng)力分布明顯不均，并在局部出現(xiàn)應(yīng)力集中。雙吸式葉輪可同時(shí)從葉輪兩側(cè)對稱地吸入液體，它不僅具有較大的吸液能力，而且基本上消除了軸向推力。按吸液方式不同可將葉輪分為單吸式與雙吸式兩種，單吸式葉輪結(jié)構(gòu)簡單，液體只能從一側(cè)吸入。 20xx年，王洋 [6]等在 ANSYS Workbench軟件中 ，采用單向流固耦合方法對 沖壓焊接葉輪在流場中的應(yīng)力及變形情況 進(jìn)行仿真計(jì)算。 分析 ：把預(yù)處理模塊準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)輸入到有限元程序中，從而構(gòu)成并求解用線性或非線性代數(shù)方程表示的系統(tǒng) ijij fuK ? 式中， u 和 f 分別為各結(jié)點(diǎn)的位移和作用的外力。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強(qiáng)度分布，或預(yù)測水對振動船體的阻尼效應(yīng)。；葉片弦長 ；輪轂厚度 8mm；葉片數(shù) 7；揚(yáng)程 122m；設(shè)計(jì)流量158m3/h；轉(zhuǎn)速 2950r/min。 周向應(yīng)力主要集中在葉片壓力面與葉輪前蓋板內(nèi)側(cè)交界處。在離心慣性力單獨(dú)作用下，最大徑向應(yīng)變?yōu)?104mm，遠(yuǎn)小于葉輪實(shí)體尺寸。 最大第一主應(yīng)變 最大變形 第 3 章 各種載荷單獨(dú)作用下葉輪受力分析 14 流道流體壓力 單獨(dú)作用下受力及變形分析 ANSYS 軟件分析過程 由于葉輪流道流體壓力分布的非均布性，在 ANSYS 軟件中進(jìn)行加載時(shí)，不能夠直接加載在模型表面。 周向應(yīng)力 圖 316 為在流道流體壓力單獨(dú)作用下的葉輪 周向 應(yīng)力分布云圖。 周向應(yīng)變 圖 320 為在流道流體壓力單獨(dú)作用下的葉輪 周向應(yīng)變 分布云圖。 圖 324 前后蓋板外側(cè)壓力分布圖 選擇與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相對應(yīng)的 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(gè)，節(jié)點(diǎn) 151260 個(gè) 。 圖 328 徑向應(yīng)力分布云圖 周向應(yīng)變 圖 329 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。39。 由圖可知，第一主應(yīng)變是要分布在靠近葉輪入口部分葉片壓力面、吸力面與后蓋板交界處，最大應(yīng)變量為 106mm，相對葉輪實(shí)體尺寸十分微小。 由圖可知，在耦合載荷作用下，葉輪徑向應(yīng)力主要分布在前后蓋板與葉片交界處。且小于除圓盤摩擦力之外的單一載荷作用時(shí)的第一主應(yīng)力值。 圖 49 變形分布云圖 在耦合載荷作用下，葉輪最大變形量為 102mm，遠(yuǎn)小于 葉輪實(shí)體尺寸。 由圖可知，在耦合載荷作用下，葉輪軸向應(yīng)變主要分布在 前后蓋板流道中部及葉片端部與前、后蓋板交界處。 圖 42 周向應(yīng)力分布云圖 由上圖可以看出，在耦合載荷作用下， 葉輪周向應(yīng)力在后蓋板與葉片交界處的分布情況較前蓋板與葉片交界處明顯。本章內(nèi)容為葉輪設(shè)計(jì)的可靠性及合理性的校驗(yàn)提供了依據(jù) ，部分應(yīng)力集中問題為葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。表面效應(yīng)單元創(chuàng)建結(jié)果如圖 334 所示。 由圖可以看出，葉輪變形主要 發(fā)生在 前、后蓋板外緣流道出口處，且在變形主要分布區(qū)域變形量由葉輪外緣向中心逐漸遞減。 由圖可以看出，周向應(yīng)力主要分布在前后蓋板靠近葉輪外緣部分與葉片交界處。 在流道流體壓力單獨(dú)作用下，葉輪最大 第一主應(yīng)變 為 103mm，遠(yuǎn)小于葉輪實(shí)體尺寸。 第一主應(yīng)力 圖 318 為在流道流體壓力單獨(dú)作用下的葉輪 第一主應(yīng)力 分布云圖。 圖 311 葉片表面效應(yīng)單元 圖 312 前、后蓋板內(nèi)側(cè)表面效應(yīng)單元 按照圖 313 所示由 FLUENT 軟件 導(dǎo)出的 流道壓力分布結(jié)果，對創(chuàng)建的表面效應(yīng)單元施加相應(yīng)載荷。最大軸向應(yīng)變?yōu)?05mm，遠(yuǎn)小于葉輪實(shí)體尺寸 。 軸向應(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。 圖 31 葉輪網(wǎng)格劃分結(jié)果 于葉輪 輪轂內(nèi)側(cè)表面施加約束條件， 本文中 多級注水泵 首級 葉輪額定轉(zhuǎn)速為ω=2900r/min=，按照 ANSYS 轉(zhuǎn)向右手螺旋準(zhǔn)則，繞軸向施加上述慣性載荷。 Pro/E軟件 是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個(gè)參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù) CAD軟件接口 ，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－ DEAS, AutoCAD 等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級 CAE 工具之一。這個(gè)方程組可以用線性代數(shù)的方法來求解。 隨著 ANSYS、 ABAQUS 等 有限元軟件的發(fā)展，使葉輪這樣的復(fù)雜模型的有限元分析結(jié)果更加精確。 本 科 畢 業(yè) 論 文 題 目：多級注水泵 首級 葉輪 應(yīng)力 分析 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 專業(yè)班級：過程裝備與控制工程 20xx 級 6 班 指導(dǎo)教師： 年 月 日中國石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè) 論文 多級注水泵首級葉輪 應(yīng)力 分析 摘 要 油田投入開發(fā)以后，隨著開采時(shí)間的增長，就要不斷地消耗油層本身能量，油層壓 力就會不斷下降，造成地下虧空，為了保持或提高油層壓力，必須及時(shí)地用注水泵對油田實(shí)行配產(chǎn)配注 。 20xx 年，唐立新 [3]等依據(jù) FLUENT 得出的葉輪流道流體壓力分布結(jié)果，在 ANSYS第 1 章 緒論 2 軟件中對某型汽輪機(jī)主油泵雙吸式葉輪分別在離心慣性力、流道流體壓力分別作用及兩種載荷耦合作用下進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，得出葉輪的應(yīng)力分布及變形結(jié)果。有限元分析的精確度無法無限提高。 ANSYS 軟件 構(gòu)成 ANSYS 軟件 主要包括三個(gè)部分 [9]：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。 電磁場分析 ： 主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運(yùn)動效應(yīng)、電路和能量損失等。 Pro/E軟件 還提供了實(shí)體模型和薄壁 模型的有限元網(wǎng)格自動生成能力，也就是它自動地將實(shí)體模型劃分成有限元素，以便有限元分析用，所有參數(shù)化應(yīng)力和范圍條件可直接在實(shí)體模型上指定，即允許設(shè)計(jì)者定義參數(shù)化載荷和邊界條件，并自動生成四邊形或三角形實(shí)體網(wǎng)格。 利用軟件的通用后處理 (POST1)查看模型的有限元計(jì)算結(jié)果，求解器類型選為 PCG。 第一主應(yīng)力 葉輪材質(zhì)為鑄鋼，強(qiáng)度校核時(shí)考慮第一強(qiáng)度理論，故使用第一主應(yīng)力與材料抗拉極限 σb相比較 ， 得出葉輪應(yīng)力安全性結(jié)果。 圖 38 軸向應(yīng)變 分布云圖 最大周向應(yīng)變 最大軸向應(yīng)變 第 3 章 各種載荷單獨(dú)作用下葉輪受力分析 13 第一主應(yīng)變 圖 39 為在離心慣性力作用下的葉輪 第一主應(yīng)變 分布云圖。圖 314 為流道流體壓力加載結(jié)果。 可以看出， 在流道流體壓力單獨(dú)作用下，葉輪的第一主應(yīng)力主要分布在靠近葉輪出口部分的葉片端部以及葉輪前蓋板外緣靠近葉片吸力面的區(qū)域。 最大周向應(yīng)變 最大軸向應(yīng)變 第 3 章 各種載荷單獨(dú)作用下葉輪受力分析 19 圖 322 第一主應(yīng)變分布云圖 變形 結(jié)果分析 圖 323為在