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熱應力作用下的泵殼有限元分析

發布于:2019-02-25 22:48
有限元

      泵壳作为水泵最主要的承压构件,其结构强度必须达到承受各种工况下的应力而不被破坏的要求,同时尽可能地追求造型美观和材料最省的效果。因此,通常需要在设计阶段进行泵壳强度的有限元分析校核以驗證設計的有效性。江蘇大學關醒凡提出了殼體壁厚的近似估算公式,並假定最大應力發生在尺寸最大的軸面內,在此基礎上應用魯吉斯方法對折算應力和安全系數進行了校核;福州大學液壓件廠郭善新針對齒輪泵殼結構設計問題,基于內力分析和結構系數修正方法,從力學角度推導出不同強度理論下殼體承壓與強度的關系式,並通過靜壓試驗驗證了計算結果的有效性。
      但是实际设计中由于泵壳的几何形状十分复杂,上述传统的手工估算方法的计算精度和信息丰富程度较为有限,因此采用计算机仿真手段进行三维结构仿真分析成为了当前的研究热点。西南石油大学莫丽等人应用ABAQUS軟件對某三缸壓裂泵殼體進行動態應力分析,指出了結構的薄弱位置並給出了加強建議;清華大學範誼章和德國KSB泵閥集團沙玉俊等人應用ANSYS Mechanical软件针对锅炉循环泵进行了应力安全分析,参照ASME标准和疲劳计算应用准则,计算了不同泵壳设计方案下的静态强度使用系数和低循环疲劳使用系数,提出了泵壳改型方案,有效地降低了生成成本;湖南湘电长沙水泵有限公司康清权应用COSMOS WORKS软件进行了水平中开多级泵壳体的结构设计,校核了三种不同的参考经验公式的适用性,根据分析结果针对性地采取了壳体增设加强筋并提高受力螺栓力学性能等级的设计方案,并通过水压试验验证了计算结果的有效性;济南大学里宏伟等,应用ANSYS软件模拟齿轮泵壳体在真实工况下的应力和变形情况,找到了壳体的应力主要集中区和变形较大的位置,在保证壳体强度的前提下提出了减少重量的设计方案。然而,大多数文献中,泵壳受到的载荷主要来源于流道内的水压,工况也多为常温工况,极少有文献报道输送热水介质等高温工况时热载荷对泵壳强度的影响。本文以用于常温介质输送的某型号双吸中开离心泵为研究对象,针对该型号泵输送热水介质这一新的应用需求,使用ANSYS Workbench软件平台,同时考察了热应力和水压共同影响下的泵壳强度,并在兼顾原有模具的结构特征的基础上提出了针对原泵的优化设计方案,对热水泵的壳体强度设计校核具有一定的参考意义。
      本文研究的双吸中开离心泵,原泵为常温条件下的介质输送而设计,其主要尺寸参数和性能参数如表所示。三维结构如图所示,图中的泵壳主要分为泵体和泵盖两部分,泵壳的材质为304不锈钢,制造工艺为铸造。由于客户有新的需求,输送介质温度要提高至30℃-130℃,故需要考虑高温带来的热膨胀影响,为此需对设计方案进行強度分析。泵壳受到的外载荷主要来源于水体压力以及高温引起的热膨胀两部分,下面分别进行分析。为了研究的简便,近似认为泵壳内壁各处受到大小相等的水压作用。参照GB 5656-2008《离心泵技术条件(II类)》因,均布水压载荷的大小由式幼确定:结构分析中温度本身引起的热应变并不产生应力,只有当外接约束、温度梯度或材料热膨胀系数不匹配时才产生应力。本文热载荷以温度的形式加载在泵壳实体上,近似假定泵壳各处的温度均匀升高故引起壳体材料的热膨胀,由于基座的约束导致了热应变。三维结构中xyz三个方向热应变的计算。
      为了模型建立、网格划分和有限元计算的方便,对模型进行如下简化:近似认为材料处于线弹性范围内,其弹性模量不随应变而改变;考虑到螺栓法兰连接方式基本可使得泵体和泵盖二者之间的法兰盘形成足够紧密的装配体,故忽略中开面连接螺栓的存在,将泵盖和泵体设置为“绑定”Bonded的接触关系;由于泵壳具有对称的特点,故仅取二分之一模型进行计算并设置对称面边界条件。泵壳材料为304不锈钢,计算采用的材料属性及判定采取的力学性能参数参见表20使用ANSYS Workbench Meshing划分四面体网格,有限元网格模型如图所示,单元和节点数目以及网格质量统计如表所示。边界条件的设定在ANSYS Workbench Mechanical软件中完成,共分为以下四类边界条件。(1)对称边界条件。在二分之一模型的对称面上设置对称边界条件,并指定对称面的法向方向。(2)水压载荷。根据计算结果,在泵壳内壁表面均匀加载4.0MPa的压力。(3)热载荷。根据产品的设计参数,设置参考温度为30℃,并选定所有实体加载130℃温度值。(4)固定约束。对支脚的安装孔位置进行固定约束,即同时约束xyz三个方向的移动和转动。


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