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離心泵具有節(jié)能且生產(chǎn)率高的優(yōu)點，被廣泛應用。葉輪是離心泵最重要的工作元件之一。葉輪的性能取決于水力設計，也和結構設計有著密切的聯(lián)系，其可靠性設計對整個離心泵的安全運行有著重要影響，因此對離心泵葉輪在工作狀態(tài)下的應力分析及變形進行研究具有重要的應用價值。理論計算、應力應變測試及數(shù)值計算是對機械設備的結構力學行為進行強度分析的3種方法。由于葉輪結構復雜且作高速旋轉運動，理論計算和應力測試相對困難，以往主要依靠長期的經(jīng)驗積累進行設計。計算機技術的進步促進了數(shù)值計算方法的發(fā)展，有限元法(FEM)逐漸成為輔助工程師進行產(chǎn)品設計及分析的重要手段。本研究應用有限元分析軟件ANSYS workbench對離心泵葉輪進行流體流動和結構之間的單向耦合分析，驗證了設計的葉輪滿足強度要求，為其結構設計提供了數(shù)值依據(jù)。葉輪強度分析計算流程如圖所示。
Solidworks軟件因其性能優(yōu)異且易用，極大地提高了機械設計工程師的設計效率和質(zhì)量。本研究采用Solidworks軟件完成葉輪的三維造型和流體流動空間的幾何模型。按一般特征建模的方法，在葉輪主要幾何尺寸確定的情況下，建立了葉輪的三維模型。由于流體分析對象是流過葉輪的液體，所以需建立葉輪內(nèi)過流區(qū)域的幾何模型。葉輪與流動空間三維幾何模型如圖所示。
采用三維設計軟件Solidworks進行葉輪內(nèi)流動空間幾何模型的三維造型。將其以Parasolid格式導入Gambit前處理軟件，應用Gambit軟件進行網(wǎng)格劃分及邊界條件定義。其網(wǎng)格模型，對于離心泵葉輪中不可壓縮流體的定常流動，根據(jù)布辛涅斯克(Boussinesq)渦粘性假設，連續(xù)方程和動量方程可以寫成張量形式，利用ANSYS workbench中的Fluent模塊加載流場網(wǎng)格模型。葉輪設計工況為給定速度入口、壓力出口及無滑移壁面邊界條件。采用N-S控制方程、標準K模型、SIMPLEC算法、QUICK差分格式對葉輪內(nèi)旋轉流場進行了三維流動計算。葉輪內(nèi)流體壓力分布如圖所示，其最大壓力0.157MPa。
葉輪的強度分析的目的是計算葉輪在工作載荷下的變形、應力分布情況和最大應力的數(shù)值，以檢驗該葉輪的設計能否滿足現(xiàn)場使用要求。葉輪的制造工藝為沖壓焊接，其結構為閉式葉輪。由于葉輪轉速比較大，根據(jù)設計經(jīng)驗選擇葉輪的材料為鋁合金，則材料的彈性模量為70GPa，泊松比是0.34，屈服強度為45MPa，密度為2770kg/m3。結構分析通常以位移為基本變量，借助于平衡條件求解，其力平衡方程為ANSYS提供了3種創(chuàng)建模型的方法：實體建模方法、直接建模方法和輸入在其他計算機輔助設計系統(tǒng)中創(chuàng)建的模型。ANSYS提供CAD導入接口，可以通過如ICES，STEP，Parasolid等格式文件輸入ANSYS。為了避免修改模型，選用了出錯較少的Parasolid格式導入葉輪三維模型。由于葉輪實體模型形狀比較復雜，應用映射網(wǎng)格劃分方法很難將其劃分，所以應用自由網(wǎng)格劃分的方法對其進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分后的葉輪有限元模型共有153125個單元，237244個節(jié)點。葉輪工作時是由主軸驅動做高速旋轉，主軸通過鍵將扭矩傳遞給葉輪，因此葉輪的鍵槽表面要承受由主軸傳來的扭矩。
由于葉輪的轉速較高，因此在葉輪旋轉時要產(chǎn)生較大的慣性力。此外葉輪旋轉對流體做功，因此葉輪還要承受較大的液體壓力。還有葉輪自身的重力，但由于葉輪的轉速高，慣性大，而且葉面承受的壓力也較大，所以與上述2種力相比葉輪自身的重力可以被忽略不計。模型加載如下：1)施加約束，限制葉輪鍵槽工作面的自由度，2)慣性載荷，通過定義旋轉速度施加離心力，3)流體壓力，通過流體分析已得出了葉輪內(nèi)流體壓力的分布，只需選擇正確的葉輪表面，重新導入靜態(tài)分析即可。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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