【導讀】田實行配產(chǎn)配注。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)，指導設計生產(chǎn)提供參考依據(jù)。結(jié)果表明，在各種載荷形式下，葉輪的應力及。變形情況均在安全范圍內(nèi)。

　　

【正文】 獨作用下的葉輪 周向應力 分布云圖。 由圖可以看出，周向應力主要分布在前后蓋板靠近葉輪外緣部分與葉片交界處。最大周向應力為，與葉輪材料強度極限相比較小。 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。 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。最大第一主應力為，與葉輪材料強度極限相比較小。 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。 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。 由圖可知，徑向應變分布情況與徑向應力分布情況近似，最大徑向應變?yōu)?104mm，遠小于葉輪最大周向應力 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 22 實體尺寸 。 圖 328 徑向應力分布云圖 周向應變 圖 329 為在 前、后蓋板外壓 單獨作用下的葉輪 徑向應力 分布云圖。 由圖中可以看出，周向應變主要分布在前后蓋板外緣與葉片交界處。最 大周向應變?yōu)?104mm，遠小于葉輪實體尺寸 。 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，第一主應力主要分布在前后蓋板與葉片交界處。最大第一主應變?yōu)?104mm，遠小于葉輪實體尺寸 。 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。 變形 結(jié)果分析 圖 331 為在 前、后蓋板外壓 單獨作用下的葉輪 變形 分布云圖。 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。最大變形量為 102mm，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 。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。 圖 331 周向應變分布云圖 圓盤摩擦力 單獨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? 最大第一主應變 最大變形 （ 32） 第 3 章 各種載荷單獨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]。 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(cè)圓盤摩擦力分布圖 332 所示。 設 圓盤外端圓柱部分半徑為 R，圓柱長度為 e。圓柱部分所受阻力為 [21]： ? ? eDRf ???? 2g39。39。 2? 則有 ? ?2g39。39。 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 332 蓋板處圓盤摩擦力 圖 333 圓柱部分圓盤摩擦力 由于在 ANSYS 軟件中，直接選中面施加的載荷為法向載荷，而此處圓盤摩擦力的方向為沿圓盤表面切向，因此此處采用表面效應單元法對葉輪模型施加圓盤摩擦力。 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 。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。 按照載荷分布特點，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)建表面效應單元。表面效應單元創(chuàng)建結(jié)果如圖 334 所示。 圖 334 表面效應單元 按照 圖 332及 圖 333所示圓盤摩擦力分布結(jié)果，在所創(chuàng)建的表面效應單元施加切向摩擦載荷。 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。 轉(zhuǎn)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。 應力結(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作用下的第一主應力分布情況，應力分布結(jié)果如圖 335 所示 。 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。 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 。 應變 結(jié)果分析 圖 336 為在 圓盤摩擦力 單獨作用下的葉輪 第一主應變 分布云圖。 由圖可知，第一主應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，最大應變量為 106mm，相對葉輪實體尺寸十分微小。 圖 336 第一主應力分布云圖 變形 結(jié)果分析 圖 337 為在 圓盤摩擦力 單獨作用下的葉輪 變形 分布云圖。 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。最大變形量為 104mm，與葉輪實體模型性相比較小。且變形量在葉輪前后蓋板分布 情況相近。 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(jié)果及相應數(shù)值。 并與葉輪相關參最大第一主應變 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。由于模型形狀等因素，存在應力集中現(xiàn)象。本章內(nèi)容為葉輪設計的可靠性及合理性的校驗提供了依據(jù) ，部分應力集中問題為葉輪的優(yōu)化設計提供了參考依據(jù)。 第 4 章 多載荷聯(lián)合作用下葉輪受力分析 27 第 4章 多載荷聯(lián)合 作用下葉輪受力分析 前言 多級注水泵在 實際 工作條件下， 所承受的載荷形式為以 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 為主的耦合載荷 。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]，校驗葉輪受力及設計合理性。 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。 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 。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(jié)果，求解器類型選為 PCG。 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。 應力結(jié)果分析 徑向應力 圖 41 所示 為在 耦合載荷 作用下的葉輪 徑向應力 分布云圖。 由圖可知，在耦合載荷作用下，葉輪徑向應力主要分布在前后蓋板與葉片交界處。最大徑向應力 為 ，遠小于葉輪材料強度極限。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。 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。 最大徑向應力 第 4 章 多載荷聯(lián)合作用下葉輪受力分析 28 周向 應力 圖 42 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 。最大軸向應力為 ， 遠小于葉輪材料強度極限。且小于除圓盤摩擦力之外的單一載荷作用時的周向應力值。 圖 42 周向應力分布云圖 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。 徑向 應力 圖 43 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，葉輪軸向應力主要分布在葉片端部與葉輪前、后蓋板交界處。 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。且小于除圓盤摩擦力之外的單一載荷作用時的 軸向 應力值。 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 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。最大第一主應力為 ，遠小于葉輪材料強度極限。且小于除圓盤摩擦力之外的單一載荷作用時的第一主應力值。 圖 44 最大第一主應力分布云圖 應變結(jié)果分析 徑向 應變 圖 45 所示 為在 耦合載荷 作用下的葉輪 徑向應變 分布云圖。 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。最大徑向應變?yōu)?105mm，遠小于葉輪實體尺寸。 圖 45 徑向應變分布云圖 周向應變 圖 46 所示 為在 耦合載荷 作用下的葉輪 周向應變 分布云圖。 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。最大周向應變?yōu)?最大徑向應變?yōu)?105mm，遠小于葉輪實體尺寸。 圖 46 周向應變分布云圖 軸向應變 圖 47 所示 為在 耦合載荷 作用下的葉輪 軸向應變 分布云圖。 由圖可知，在耦合載荷作用下，葉輪軸向應變主要分布在 前后蓋板流道中部及葉片端部與前、后蓋板交界處。最大軸向應變?yōu)?105mm，遠小于葉輪實體尺寸。 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。 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。且在第一主應變主要分布區(qū)域，應變量由葉輪外緣向中心逐漸增大。最大第一主應變?yōu)?105mm，遠小于葉輪實體尺寸。 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。 由圖可知，在耦合載荷作用下，葉輪 變形主要分布在葉輪后蓋板外緣靠近葉片吸力面流道出口部分及前蓋板靠近葉片壓力面流道出口部分，且前者變形量較后者明顯。 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，遠小于 葉輪實體尺寸。 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，得出相應各向應力、應變及變形情況。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 。本章結(jié)論為 葉輪設計的可靠性及合理性的校驗提供了依據(jù)。 第 5 章 結(jié)論和展望