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熱應力作用下的泵殼有限元分析

發布於:2019-02-25 22:48
有限元

      泵殼作為水泵最主要的承壓構件,其結構強度必須達到承受各種工況下的應力而不被破壞的要求,同時盡可能地追求造型美觀和材料最省的效果。因此,通常需要在設計階段進行泵殼強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麵內,在此基礎上應用魯吉斯方法對折算應力和安全係數進行了校核;福州大學液壓件廠郭善新針對齒輪泵殼結構設計問題,基於內力分析和結構係數修正方法,從力學角度推導出不同強度理論下殼體承壓與強度的關係式,並通過靜壓試驗驗證了計算結果的有效性。
      但是實際設計中由於泵殼的幾何形狀十分複雜,上述傳統的手工估算方法的計算精度和信息豐富程度較為有限,因此采用計算機仿真手段進行三維結構仿真分析成為了當前的研究熱點。西南石油大學莫麗等人應用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軟件針對鍋爐循環泵進行了應力安全分析,參照ASME標準和疲勞計算應用準則,計算了不同泵殼設計方案下的靜態強度使用係數和低循環疲勞使用係數,提出了泵殼改型方案,有效地降低了生成成本;湖南湘電長沙水泵有限公司康清權應用COSMOS WORKS軟件進行了水平中開多級泵殼體的結構設計,校核了三種不同的參考經驗公式的適用性,根據分析結果針對性地采取了殼體增設加強筋並提高受力螺栓力學性能等級的設計方案,並通過水壓試驗驗證了計算結果的有效性;濟南大學裏宏偉等,應用ANSYS軟件模擬齒輪泵殼體在真實工況下的應力和變形情況,找到了殼體的應力主要集中區和變形較大的位置,在保證殼體強度的前提下提出了減少重量的設計方案。然而,大多數文獻中,泵殼受到的載荷主要來源於流道內的水壓,工況也多為常溫工況,極少有文獻報道輸送熱水介質等高溫工況時熱載荷對泵殼強度的影響。本文以用於常溫介質輸送的某型號雙吸中開離心泵為研究對象,針對該型號泵輸送熱水介質這一新的應用需求,使用ANSYS Workbench軟件平台,同時考察了熱應力和水壓共同影響下的泵殼強度,並在兼顧原有模具的結構特征的基礎上提出了針對原泵的優化設計方案,對熱水泵的殼體強度設計校核具有一定的參考意義。
      本文研究的雙吸中開離心泵,原泵為常溫條件下的介質輸送而設計,其主要尺寸參數和性能參數如表所示。三維結構如圖所示,圖中的泵殼主要分為泵體和泵蓋兩部分,泵殼的材質為304不鏽鋼,製造工藝為鑄造。由於客戶有新的需求,輸送介質溫度要提高至30℃-130℃,故需要考慮高溫帶來的熱膨脹影響,為此需對設計方案進行強度分析。泵殼受到的外載荷主要來源於水體壓力以及高溫引起的熱膨脹兩部分,下麵分別進行分析。為了研究的簡便,近似認為泵殼內壁各處受到大小相等的水壓作用。參照GB 5656-2008《離心泵技術條件(II類)》因,均布水壓載荷的大小由式幼確定:結構分析中溫度本身引起的熱應變並不產生應力,隻有當外接約束、溫度梯度或材料熱膨脹係數不匹配時才產生應力。本文熱載荷以溫度的形式加載在泵殼實體上,近似假定泵殼各處的溫度均勻升高故引起殼體材料的熱膨脹,由於基座的約束導致了熱應變。三維結構中xyz三個方向熱應變的計算。
      為了模型建立、網格劃分和有限元計算的方便,對模型進行如下簡化:近似認為材料處於線彈性範圍內,其彈性模量不隨應變而改變;考慮到螺栓法蘭連接方式基本可使得泵體和泵蓋二者之間的法蘭盤形成足夠緊密的裝配體,故忽略中開麵連接螺栓的存在,將泵蓋和泵體設置為“綁定”Bonded的接觸關係;由於泵殼具有對稱的特點,故僅取二分之一模型進行計算並設置對稱麵邊界條件。泵殼材料為304不鏽鋼,計算采用的材料屬性及判定采取的力學性能參數參見表20使用ANSYS Workbench Meshing劃分四麵體網格,有限元網格模型如圖所示,單元和節點數目以及網格質量統計如表所示。邊界條件的設定在ANSYS Workbench Mechanical軟件中完成,共分為以下四類邊界條件。(1)對稱邊界條件。在二分之一模型的對稱麵上設置對稱邊界條件,並指定對稱麵的法向方向。(2)水壓載荷。根據計算結果,在泵殼內壁表麵均勻加載4.0MPa的壓力。(3)熱載荷。根據產品的設計參數,設置參考溫度為30℃,並選定所有實體加載130℃溫度值。(4)固定約束。對支腳的安裝孔位置進行固定約束,即同時約束xyz三個方向的移動和轉動。


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