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离心泵叶轮的有限元设计与分析（下）离心泵叶轮的有限元设计与分析（下）Mane Pranav Rajanand 印度马哈拉施特拉邦索拉普尔 工程技术学院机械工程系硕士生 上接：离心泵叶轮的有限元设计与分析（上）。 5. 离心泵叶轮的静态分析 Ansys 静态分析程序： 1）按照第4.2章节中的说明建立FE模型 2）定义材料特性，如杨氏模量和密度等 3）施加边界条件和压力 4）使用工具栏中的当前LS命令解决问题 ANSYS 14.5： ANSYS Work bench可以看作是一个软件平台或框架，您可以在此进行分析（FEA）活动。换句话说，Work bench允许您在同一框架下组织所有相关的分析文件和数据库。除此之外，这意味着您可以在所有分析中使用相同的材料属性集。 ANSYS Workbench平台允许用户创建新的、更快的流程，并有效地与CAD系统等其它工具进行交互。在该平台上，Metaphysics仿真工作非常简单。进行结构仿真的人员使用图形界面（称为 ANSYS Workbench Mechanical 应用程序），该界面采用树状导航结构来定义仿真的所有部分：几何、连接、网格、载荷、边界条件和结果。通过使用ANSYS Workbench，用户可以节省仿真过程中执行的许多任务的时间。与所有主要CAD系统的双向链接提供了一种非常有效的方法来更新CAD几何图形和设计参数。 等效（Von-Misses）应力静态分析： 离心泵关键部分的静态分析，即叶轮的静态分析，是通过有限元分析完成的。叶轮是离心泵的核心部分，离心泵的所有性能完全取决于叶轮，因此选择叶轮作为离心泵的关键部分进行静态分析。分析分别针对MS和SS材料进行，以检查每种材料的等效应力及其引起的相应变形。 5.1 MS泵叶轮的静态分析 总变形 图8：MS泵叶轮总变形 等效应力 图9：MS泵叶轮产生的最大应力 等效应变 图10：MS泵叶轮的最大应变 5.2 SS泵叶轮的静态分析 总变形 图11：SS泵叶轮总变形 等效应力 图12：SS泵叶轮产生的最大应力 等效应变 图13：SS泵叶轮的最大应变 6. 结果与讨论 表2：结果与讨论 金属泵叶轮（即MS材料）的最大变形量为0.002839 mm，在安全范围内。因此，基于刚度的设计是安全的。相同材料的最大诱导应力为12.043 MPa，小于考虑安全系数（160GPa）后的允许应力（即工作应力）。如果将SS材料的相应变形与MS材料的上述结果进行比较，SS材料的变形最小，因此与MS材料相比，泵叶轮发生故障的几率较小。因此，由于使用了SS材料，泵的强度得到了提高。从上述结果表中可以看出，与MS材料（29.202 kg）相比，SS泵叶轮材料（28.83 kg）的重量最小，因此泵叶轮的重量得到减轻 - 优化。 7. 离心泵叶轮模态分析 ANSYS 模态分析程序： 1）按照第6章中的说明建立FE模型 2）定义材料特性，如杨氏模量和密度等 3）施加边界条件 4）输入ANSYS求解处理器，其中分析类型取为模态分析，采用模态提取方法，定义要提取的模态数。求解方法选择Block lanczos方法。 5）使用工具栏中的当前LS命令解决问题。 泵的材料特性： 分析对象为MS泵叶轮和SS泵叶轮。 MS泵的材料特性： 1）杨氏模量 E = 210 GPa 2）泊松比 NUXY = 0.303 3）质量密度 = 7860 kg/m3 4）阻尼系数 = 0.008 SS 泵的材料特性： 1）屈服应力0.2 % 最小值 = 170 2）弹性模量 = 193 GPa 3）质量密度 = 8000 kg/m3 4）硬度 B（HRB）最大值 = 217 5）延伸率（%）最小值 = 40 MS泵叶轮的模态分析： 图14：MS泵叶轮的一阶振型 图15：MS泵叶轮的二阶振型 图16：MS泵叶轮的三阶振型 图17：MS泵叶轮的四阶振型 图18：MS泵叶轮的五阶振型 图19：MS泵叶轮的六阶振型 SS泵叶轮的模态分析： 图20：SS泵叶轮的一阶振型 图21：SS泵叶轮的二阶振型 图22：SS泵叶轮的三阶振型 图23：SS泵叶轮的四阶振型 图24：SS泵叶轮的五阶振型 图25：SS泵叶轮的六阶振型 表3：MS和SS泵叶轮前六个固有频率的比较 上表显示了MS和SS泵叶轮在六种不同模态下的最小及最大变形。通过对离心泵叶轮进行静态和动态分析，可以明显地看出SS叶轮的重量比MS高。泵叶轮的变形量也很大，导致泵的强度降低。由于强度较低，材料可能会失效。从上表可以看出，与SS相比，MS泵叶轮的固有频率较高。 8. 结论 通过对泵叶轮进行静态和模态分析，可以清楚地看出，金属泵叶轮（即MS材料）的最大变形为0.002839 mm，处于安全范围内。同一材料的最大诱导应力为12.043 MPa，小于允许应力，即考虑安全系数（160GPa）后的工作应力。如果将SS材料的相应变形与MS材料的上述结果进行比较，SS材料的变形最小，因此与MS材料相比，泵叶轮发生故障的几率较小。同时，由于使用了SS材料，泵的强度也得到了提高。从上述结果表2可以看出，与MS材料（29.202 kg）相比，SS泵叶轮材料（28.83 kg）的重量最小，因此泵叶轮的重量得到减轻（优化）。MS泵叶轮的固有频率高于SS泵叶轮。 9. 参考文献 [1]. A Syam Prasad, BVVV Lakshmipathi Rao, A Babji, Dr P Kumar Babu , “Static and Dynamic Analysis of a Centrifugal Pump Impeller” International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 4, Issue 10, October-2013, pp966-971 [2]. Karthik Matta, Kode Srividya, Inturi Prakash , “Static and Dynamic Response of an Impeller at Varying Effects” IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE) e-ISSN: 2278-1684,p-ISSN: 2320-334X, Volume 11, Issue 1 Ver. III pp 101-106 (Jan. 2014), [4]. Pramod J. Bachche1, R.M.Tayade “ Finite Element Analysis of Shaft of Centrifugal Pump” IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE) e-ISSN: 2278-1684,p-ISSN: 2320-334X, Volume 7, Issue 3 (Jul. - Aug. 2013), pp 37-42 [5]. S.Rajendran and Dr. K Purushotha-man “Analysis of centrifugal pump impeller using ANSYS-CFX” International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT) Vol. 1 Issue 3, May - 2012 pp 1-6 [6]. Static Analysis of Centrifugal Blower Using Composite Material 1Mr M.Sampath-kumar, 2Mr.Dsvsra Varaprasad, 3Mr.Vijay-kumar The International Journal Of Engineering And Science (IJES) , Volume 3 Issue 9, 2014 , pp 25-31 |
