【文章內(nèi)容簡介】 ，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果分析，得出應力分布結果及規(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)化設計提供了參考。 2020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力及變形情況 進行仿真計算。結果表明，各工況流量下， 葉 輪應力分布明顯不均，并在局部出現(xiàn)應力集中。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。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)。 有限元分析方法 有限元分析是使用有限元方法來分析靜態(tài)或動態(tài)的物理物體或物理系統(tǒng)。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。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。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 。這個方程組可以用線性代數(shù)的方法來求解。有限元分析的精確度無法無限提高。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]。 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 ” 。各單元在一些稱為 “ 結點 ” 的離散點上相互連接。這些結點中有的有固定的位移，而其余的有給定的載荷。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。有些預處理模塊作為計算機化的畫圖和設計過程的組成部分，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。 分析 ：把預處理模塊準備好的數(shù)據(jù)輸入到有限元程序中，從而構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 分別為各結點的位移和作用的外力。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力分析的方法。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。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。 后處理：分析的早期，用戶需仔細地研讀程序運算后產(chǎn)生的大量數(shù)字，即 列出的模型內(nèi)各離散位置處的位移和應力。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。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。 ANSYS 軟件簡介 ANSYS 軟件 概 述 ANSYS 軟件 是融結構、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 。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)品設計中的高級 CAE 工具之一。 ANSYS 軟件 構成 ANSYS 軟件 主要包括三個部分 [9]：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。 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 造有限元模型 ； 分析計算模塊包括結構分析（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（可看到結構內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、 曲線 形式 顯示或輸出。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 軟件 提供的分析類型 結構靜力分析 ： 用來求解外載荷引起的位移、應力和力。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。 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、大變形、大應變及接觸分析。 結構動力學分析 ： 結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。 ANSYS 可進行的結構動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。 結構非線性分析 ： 結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。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。 動力學分析 ： ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運動。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。 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。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。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構應力之間的熱－結構耦合分析能力。 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、運動效應、電路和能量損失等。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計和分析 領域。 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)。分析結果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。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。另外，還可以使用三維表面效應單元和熱－流管單元模擬結構的流體繞流并包括對流換熱效應。 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構的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預測水對振動船體的阻尼效應。 第 1章 緒論 5 壓電分析 ： 用于分析二維或三維結構對 AC（交流）、 DC（直流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應。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備的結構動態(tài)性能分析?？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(nèi)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。 第 2章 多級注水泵首級葉輪三維模型結構 6 第 2章 多級注水泵首級葉輪 三維模型結構 前言 葉輪是水泵的關鍵過流部件，其制造質(zhì)量直接影響到水泵性能的好壞以及機組的穩(wěn)定性。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。整個過程費時、費力且成本高。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。 Pro/E軟件 是一套由設計至生產(chǎn)的機械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。 Pro/E軟件 還提供了實體模型和薄壁 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)化應力和范圍條件可直接在實體模型上指定，即允許設計者定義參數(shù)化載荷和邊界條件，并自動生成四邊形或三角形實體網(wǎng)格。載荷 /邊界條件與網(wǎng)格都直接與基礎設計模型相關聯(lián)，并能像設計時一樣進行交互式修改 [10]。 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)。 葉輪主要參數(shù)機模型的創(chuàng)建 根據(jù)對葉輪實物的測繪數(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 葉輪結構圖 （ 如圖 22） 。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。； 葉片出口角 26176。； 葉片厚度 6mm；葉片包角 130176。；葉片弦長 ；輪轂厚度 8mm；葉片數(shù) 7；揚程 122m；設計流量158m3/h；轉(zhuǎn)速 2950r/min。 圖 21 葉輪葉片木模圖 圖 22 葉輪結構圖 第 2章 多級注水泵首級葉輪三維模型結構 7 利用已有的葉片水力木模圖數(shù)據(jù)，結合 Pro/E軟件實現(xiàn)葉片、葉輪及流道的三維實體造型如圖 23所示。 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、前后蓋板外側液體壓力、圓盤摩擦力等載荷作用。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。 離心慣性力單獨作用下受力及變形分析 ANSYS 軟件分析過程 對葉輪 施加離心慣性力進行受力及變形分析 ，應用結構分析中的體單元 ，同時葉輪形狀較復雜，難以用結構網(wǎng)格進行離散化分析，因此選擇與非結構網(wǎng)格相對應的SOLID187 號單元 [12]，該單元為 10 節(jié)點四面體單元，具有 2 階精度，適用于空間結構的彈性、塑性、超彈性、蠕變等結構分析。 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 。 對葉輪實體模型進行網(wǎng)格劃分，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，網(wǎng)格劃分結果如圖 31 所示。 圖 31 葉輪網(wǎng)格劃分結果 于葉輪 輪轂內(nèi)側表面施加約束條件， 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)向右手螺旋準則，繞軸向施加上述慣性載荷。 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。轉(zhuǎn)換坐標系為極坐標系，設 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。 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。 從圖中可以看出，在離心慣性力單獨作用下，葉輪的徑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(nèi)側交界處，并由此向葉輪外緣逐漸變小。最大徑向應力為 MPa，遠小于葉輪材料的強度極限。 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)側的徑向應力分布明顯較前蓋板處相應部分大。 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。 周向應力主要集中在葉片壓力面與葉輪前蓋板內(nèi)側交界處。最大周向應力為 MPa， 遠小于葉輪材料的強度極限。 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)側交界部分 ，說明此處為葉輪