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離心泵具有節(jié)能且生產(chǎn)率高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)，也和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著密切的聯(lián)系，其可靠性設(shè)計(jì)對整個(gè)離心泵的安全運(yùn)行有著重要影響，因此對離心泵葉輪在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分析及變形進(jìn)行研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。理論計(jì)算、應(yīng)力應(yīng)變測試及數(shù)值計(jì)算是對機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為進(jìn)行強(qiáng)度分析的3種方法。由于葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜且作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，理論計(jì)算和應(yīng)力測試相對困難，以往主要依靠長期的經(jīng)驗(yàn)積累進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，有限元法(FEM)逐漸成為輔助工程師進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)及分析的重要手段。本研究應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS workbench對離心泵葉輪進(jìn)行流體流動和結(jié)構(gòu)之間的單向耦合分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的葉輪滿足強(qiáng)度要求，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了數(shù)值依據(jù)。葉輪強(qiáng)度分析計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)軟件Solidworks進(jìn)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(dǎo)入Gambit前處理軟件，應(yīng)用Gambit軟件進(jìn)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(shè)，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(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)K模型、SIMPLEC算法、QUICK差分格式對葉輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場進(jìn)行了三維流動計(jì)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(qiáng)度分析的目的是計(jì)算葉輪在工作載荷下的變形、應(yīng)力分布情況和最大應(yīng)力的數(shù)值，以檢驗(yàn)該葉輪的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)為閉式葉輪。由于葉輪轉(zhuǎn)速比較大，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)度為45MPa，密度為2770kg/m3。結(jié)構(gòu)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(shí)體建模方法、直接建模方法和輸入在其他計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中創(chuàng)建的模型。ANSYS提供CAD導(dǎo)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(cuò)較少的Parasolid格式導(dǎo)入葉輪三維模型。由于葉輪實(shí)體模型形狀比較復(fù)雜，應(yīng)用映射網(wǎng)格劃分方法很難將其劃分，所以應(yīng)用自由網(wǎng)格劃分的方法對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分后的葉輪有限元模型共有153125個(gè)單元，237244個(gè)節(jié)點(diǎn)。葉輪工作時(shí)是由主軸驅(qū)動做高速旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)速較高，因此在葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)要產(chǎn)生較大的慣性力。此外葉輪旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jì)。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(zhuǎn)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(dǎo)入靜態(tài)分析即可。
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