离心泵具有节能且生产率高的优点，被广泛应用。叶轮是离心泵最重要的工作元件之一。叶轮的性能取决于水力设计，也和结构设计有着密切的联系，其可靠性设计对整个离心泵的安全运行有着重要影响，因此对离心泵叶轮在工作状态下的应力分析及变形进行研究具有重要的应用价值。理论计算、应力应变测试及数值计算是对机械设备的结构力学行为进行强度分析的3种方法。由于叶轮结构复杂且作高速旋转运动，理论计算和应力测试相对困难，以往主要依靠长期的经验积累进行设计。计算机技术的进步促进了数值计算方法的发展，有限元法(FEM)逐渐成为辅助工程师进行产品设计及分析的重要手段。本研究应用有限元分析软件ANSYS workbench对离心泵叶轮进行流体流动和结构之间的单向耦合分析，验证了设计的叶轮满足强度要求，为其结构设计提供了数值依据。叶轮强度分析计算流程如图所示。
      Solidworks软件因其性能优异且易用，极大地提高了机械设计工程师的设计效率和质量。本研究采用Solidworks软件完成叶轮的三维造型和流体流动空间的几何模型。按一般特征建模的方法，在叶轮主要几何尺寸确定的情况下，建立了叶轮的三维模型。由于流体分析对象是流过叶轮的液体，所以需建立叶轮内过流区域的几何模型。叶轮与流动空间三维几何模型如图所示。
      采用三维设计软件Solidworks进行叶轮内流动空间几何模型的三维造型。将其以Parasolid格式导入Gambit前处理软件，应用Gambit软件进行网格划分及边界条件定义。其网格模型，对于离心泵叶轮中不可压缩流体的定常流动，根据布辛涅斯克(Boussinesq)涡粘性假设，连续方程和动量方程可以写成张量形式，利用ANSYS workbench中的Fluent模块加载流场网格模型。叶轮设计工况为给定速度入口、压力出口及无滑移壁面边界条件。采用N-S控制方程、标准K模型、SIMPLEC算法、QUICK差分格式对叶轮内旋转流场进行了三维流动计算。叶轮内流体压力分布如图所示，其最大压力0.157MPa。
      叶轮的强度分析的目的是计算叶轮在工作载荷下的变形、应力分布情况和最大应力的数值，以检验该叶轮的设计能否满足现场使用要求。叶轮的制造工艺为冲压焊接，其结构为闭式叶轮。由于叶轮转速比较大，根据设计经验选择叶轮的材料为铝合金，则材料的弹性模量为70GPa，泊松比是0.34，屈服强度为45MPa，密度为2770kg/m3。结构分析通常以位移为基本变量，借助于平衡条件求解，其力平衡方程为ANSYS提供了3种创建模型的方法：实体建模方法、直接建模方法和输入在其他计算机辅助设计系统中创建的模型。ANSYS提供CAD导入接口，可以通过如ICES，STEP，Parasolid等格式文件输入ANSYS。为了避免修改模型，选用了出错较少的Parasolid格式导入叶轮三维模型。由于叶轮实体模型形状比较复杂，应用映射网格划分方法很难将其划分，所以应用自由网格划分的方法对其进行网格划分。网格划分后的叶轮有限元模型共有153125个单元，237244个节点。叶轮工作时是由主轴驱动做高速旋转，主轴通过键将扭矩传递给叶轮，因此叶轮的键槽表面要承受由主轴传来的扭矩。
      由于叶轮的转速较高，因此在叶轮旋转时要产生较大的惯性力。此外叶轮旋转对流体做功，因此叶轮还要承受较大的液体压力。还有叶轮自身的重力，但由于叶轮的转速高，惯性大，而且叶面承受的压力也较大，所以与上述2种力相比叶轮自身的重力可以被忽略不计。模型加载如下：1)施加约束，限制叶轮键槽工作面的自由度，2)惯性载荷，通过定义旋转速度施加离心力，3)流体压力，通过流体分析已得出了叶轮内流体压力的分布，只需选择正确的叶轮表面，重新导入静态分析即可。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
                                                                                                                                                  杭州纳泰科技咨询有限公司
                                                                          本文出自杭州纳泰科技咨询有限公司www.nataid.com，转载请注明出处和相关链接！