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
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