（水利水电工程专业论文）旋喷泵集流管的强度结构分析.pdf

旋喷泵集流管强度结构分析 水利水电工程 研究生蒋伟指导教师陈次昌 随着科学技术，尤其是计算机技术的发展和广泛应用，数值计算 方法得到了巨大的发展。数值模拟计算在机械的选型设计中有举足轻 重的地位。随着有限元理论基础的日益完善，出现了很多通用和专用 的有限元分析软件。其中，有限元分析法的a n s y s 软件在验证机械 的强度方面应用得最广泛。基于有限元理论的结构强度计算可以对机 械零、部件的安全性、可靠性及使用寿命做出评价与估计。 旋转喷射泵是一种工作原理和结构都很独特的极低比转数泵。其 结构简单可靠，具有效率高、易密封、噪声低、运行工况稳定、寿命 长的优点。旋喷泵的集流管属予易损件，在应用中易出现破裂、断裂 的现象。集流管有单管和双管两种类型。本文通过a n s y s 软件建立 集流管模型，根据流场分析软件f l u e n t 分析得出的集流管内外表面压 力值，对集流管加载、求解，应用a n s y s 软件的后处理模块对这两 种集流管进行强度结构分析，找出集流管易出现破裂、断裂的原因， 比较他们的最大位移量、节点的最大应力、节点的最大应变、单元的 最大应力、单元的最大应变，确定强度性能较好的一种集流管。在完 成计算和比较后得到以下结论：集流管扩散段末端处位移变形量较 大，此处强度较弱，容易出现破裂、断裂的情况；单集流管的位移变 形量比双集流管的大；单集流管的节点的最大应力、应变比双集流管 的大、单集流管的单元的最大应力、应变比双集流管的大。基于以上 结论我建议：增加集流管扩散段末端处的壁厚；选用强度性能更好的 双集流管。 关键词：有限元分析；集流管；强度 s t r u c t u r a l i n t e n s i t ya n a l y s i s f o r c o l l e c t i n g c u r r e n t p i p e o f r o t o - j e tp u m p w a t e r c o n s e r v a n c ya n dh y d r o e l e c t r i c i t ye n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e ：j a n gw e ia d v i s o r ：c h e nc i c h a n g w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，e s p e c i a l l y t h e d e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n di t s s p r e a du s e ，t h e m e t h o do fn u m e r i c c a l c u l a t i n gh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hp l a y a n i m p o r t a n t r o l ei nt h e d e s i g no fm a c h i n e w i t hi n c r e a s i n gp e r f e c t i o no f t h ef i n i t e e l e m e n tt h e o r y t h e r ei sl o t so fg e n e r a la n ds p e c i a lf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e i n p a r t i c u l a r ，a n s y s ，o n eo f f i n i t e e l e m e n ts o f t w a r e ，i sw i l d l yu s e d w ec a n t a k es t r u c t u r a l i n t e n s i t ya n a l y s i s b a s e do nt h ef i n i t e e l e m e n tt h e o r y ，t o e s t i m a t em a c h i n ei ns e c u r i t y , s t a b i l i z a t i o na n dl i f e r o t o - j e tp u m p i sal o ws p e c i f i cs p e e do f p u m p ，w i t hs p e c i a lw o r k i n g p r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e t h i sp u m p h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l e s t r u c t u r e ，h i g he f f i c i e n c y ，e a s ys e a l ，l o wn o i s e ，s t a b i l i z a t i o na n dl o n gl i f e c o l l e c t i n gc u r r e n tp i p eo fr o t o j e tp u m pi s r e l a t i v e f r i a b i l i t y s ot h a ti t m a y t e n dt ob er u p t u r e d ，t h e r ea r et w ok i n d so fc o l l e c t i n gc u r r e n tp i p e s ： s i n g l e c o l l e c t i n g c u r r e n tp i p ea n dd o u b l e - c o l l e c t i n gc u r r e n tp i p e w i t h i n t e r n a la n de x t e r n a l p r e s s u r e s c a l c u l a t e d b y f l u e n t s o f t w a r e ，a f t e r f o u n d i n g f i n i t e e l e m e n tm o d e la n d c o m p u t i n g ，s t r u c t u r a li n t e n s i t y a n a l y s i sf o rc o l l e c t i n gc u r r e n tp i p ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ea i mo f t h e a n a l y s i si s t of i n dt h em a x i m u ms t r e s so nt h es u r f a c ea n dc o n f i r m m o r er e a s o n a b l ec o l l e c t i n gc u r r e n tp i p ea m o n g s i n g l e c o l l e c t i n gc u r t e n l p i p ea n dd o u b l e c o l l e c t i n gc u r r e n tp i p e i nc o n c l u s i o n ，d i f f u s es e g m e n t o f c o l l e c t i n g c u r r e n t p i p e i st h e p l a c e o ft h em a x i m u ms t r e s sa n d d i s p l a c e m e n t ， w h i c hi st h e p l a c et e n d i n g t ob e r u p t u r e d d o u b l e c o l l e c t i n g c u r r e n tp i p ei sb e t t e rt h a n s i n g l e c o l l e c t i n g c u r r e n t p i p ei ns t r u c t u r a li n t e n s i t y s o ，is u g g e s tt h a tw e h a db e t t e ra d dt h es i z eo f d i f f u s es e g m e n to fc o l l e c t i n gc u r r e n tp i p ea n dc h o o s ed o u b l e c o l l e c t i n g c u r r e n tp i p ei nd e s i g no fr o t o - j e tp u m p k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s c o l l e c t i n gc u r r e n tp i p e ；i n t e n s i t y 西华大学硕士学位论文 第一章：绪论 1 1 引言 随着航空航天、石油、化工、制药、冶金及轻工业的发展，对小 流量高扬程泵的需求量越来越大。随着生产工艺的改进以及生产要求 的提高，人们对泵的性能提出了更多更高的要求。由于出现了一些新 的生产情况，人们对泵的类型也提出了新的需求。目前用于小流量高 扬程介子输送的泵主要有小流量离心泵、旋涡泵、多级离心泵、高速 离心泵、往复泵、无泄漏泵，它们有各自的特点，都有各自适合的生 产领域。随着我国改革开放的深化，交通运输、汽车、摩托车、工程 机械、农业机械等行业都有了长足的发展，化工产品的市场需求量也 大增，化工企业纷纷扩大生产规模，万吨级的生产线得到较大的推广， 这种生产线需要一种能提供高压，无泄漏、运行稳定的泵来输送化工 原料，鉴于国内目前的各种泵的特点都无法达到这种要求，国内厂家 纷纷引进国外的新型泵旋转喷射泵引。 旋转喷射泵( 简称旋喷泵) 是一种完全不同于现有泵的结构的新 型泵，它利用皮托管的原理，成功的避免了圆盘磨擦损失，同时结构 上突破了传统结幸句部件的束缚，将以转子腔和集流管组成传统意义上 的压水室，叶轮与转子腔同步转动。同时机械密封处于低压区，有力 的减少了磨损，较好的解决了介子泄漏问题。旋喷泵构造比较简单， 维修费用比较低，使用寿命长，流动稳定，脉动差，是一个值得在化 工等行业推广的泵型。 1 1 1 旋喷泵的概述 1 1 1 1 旋喷泵的出现 旋喷泵又称皮托泵，是一种工作原理和结构都很独特的极低比转 数泵。1 8 世纪法国一位水利工程师亨利皮托发明了种后来被称为 “皮托管”的测量仪器来测量流体的速度和压力。后来，这种皮托原理 被逐渐推广应用，直到二十世纪处人们将这种原理应用到泵的设计 上，产生了皮托泵。 1 塑兰查堂堡主堂些丝苎 第一台利用皮托管原理研制的泵是开式的，有很多缺陷，直到二 十世纪二十年代人们才研制出了闭式的皮托泵。第二次世界大战爆发 后，德国和英国都开始研制火箭和导弹，它们需要一种低流量但又十 分稳定的高扬程泵，于是他们选择了旋喷泵。但二战结束后，旋喷泵 的研究陷入了低谷。直n - 十世纪六十年代人们发明了封闭转轮和封 盖，这二者组成了一个径向的旋转叶轮才使得旋喷泵开始发展起来， 并最终形成了当前的旋喷泵模型。此时，众多的行业需要一种可以随 意调节流量和在扬程曲线上全范围工作的性能稳定的高扬程泵。在食 品行业中清理系统的喷枪遍布于食品加工设备中，并且根据需要来进 行清理，这种不断改变命令的需求就需要一种可以在很大的流量范围 内运行的高压泵，而旋喷泵正好满足这种要求。该清理系统在食品行 业到处可见，比如酿造、肉类包装、水果和蔬菜的罐头加工、饮料加 工。另外在石油化工与炼制、打浆造纸和电站中都需要该泵。 在此背景下，在六 十年代美国出现了旋 喷泵的专利。到七十年 代，k o b e 公司生产了 第一台商业上的旋喷 泵，从此旋喷泵开始走 向市场，逐渐被人们接 受。目前，国外旋喷泵 的技术已经发展 到了很高的水平。 f i g u r e1 - 1r o t o - j e tp u m p 图1 - 1 旋转喷射泵 1 1 1 2 国外发展概况 旋喷泵从正式的投入使用到现在也就3 0 年的时问。但人们对于 旋喷泵的研究确是从二十世纪初开始的。当时人们就利用皮托管原理 研制了皮托泵，但当时是开式的，直到二十年代人们才研制出了闭式 2 空兰查兰堡主堂垡笙壅 的旋喷泵，这时的旋喷泵并没有应用于实际生产中，而是应用在二战 中被用来制造火箭和导弹。以下是旋喷泵在国外的发展历史： 表1 - 1 旋喷泵的发展历史 t a b l e1 - 1t h eh i s t o r yo fr o t o - j e tp u m p 年代事件 1 9 6 0 s c h a l l e n g e c o o kb r o t h e r s 公司获得基础旋喷泵的专利 1 9 7 1 k o b e 公司，b a k e r 国际公司的一个分公司，购买了旋喷泵 的专利和生产制造权 1 9 7 2k o b e 公司售出了第一台新型设计的旋喷泵r b 1 9 7 2 1 9 7 9k o b e 公司发明了六条基于皮托泵技术的独立的泵生产 线，并获得了关于皮托泵设计的3 5 项专利 1 9 8 4 b a k e r 国际公司将旋喷泵的生产线应用到b a k e r 起重系统 公司 1 9 8 5 旋喷泵的一个更小的类型r l l 产生了 1 9 8 7 b a k e r 国际公司与h u g h e st o o l 公司合并；随后重组后的 公司创建了“环境技术泵系统” 1 9 9 4 发明了两种新的旋喷泵：加大流量的泵和立式旋喷泵。立 式设计获得了专利，b a k e r h u g h e s 公司将环境技术泵系统 买给了苏格兰哥拉斯各的w e i r 集团 1 1 1 3 国内发展概况 国内旋喷泵的发展是从八十年代末期开始的。在八十年代末碳黑 工业进行新工艺生产线的改造时，要将原料油从喉管送入生产线，要 求泵有定的压头且流量稳定。温州有机化工厂根据国外的情况引进 了旋喷泵，使用效果非常好。后来旋喷泵应用到石油化工行业中，随 着该泵的推广，其特点和优势逐渐的认识，国内出现了一批对其进行 深入研究的学者。甘肃工业大学的杨军虎、齐学义 6 1 等对旋喷泵水力 性能及设计方法的研究还被列为甘肃省中青年自然科学基金资助项 目。四川机械设计研究院的王成木pj 等通过一系列的试验旋喷泵的水 1 要兰奎兰堡主兰些堡苎 力性能进行了深入的研究，得出了一些重要的结论。总之，国内对旋 喷泵的研究还刚刚起步，有很多的问题需要我们去探索。 1 1 2 旋喷泵集流管研究概述 集流管是旋喷泵的重要过流部件之一。旋喷泵利用皮托管原理就 直接体现在集流管上，集流管与转子腔组成了相当于一般离心泵的娲 壳。因此集流管的各项参数对旋喷泵的效率有很重要的影响。目前国 内对集流管进行的重点研究还很少，四川机械设计研究院的王成木 5 5 工程师对旋喷泵集流管和叶轮进行了一系列的试验，通过变换不同的 集流管和叶轮得出了一些重要的结论。甘肃工业大学的杨军虎、齐学 义【6 j 等对旋喷泵的效率和集流管的水力设计方法进行了探讨，给出了 集流管的设计公式和重要参数的选择范围。 集流管的主要作用是：收集转子腔内的高速旋转的液体，并通过 锥形渐变管将液体动能变成压能，以使被输送的液体在管路中能以能 量损失最小的速度运动。它一般是由扩散段和直管段组成，目前国内 出现的内部结构型式有两种pj ，如下图所示： a 一4 瓢螬 第种型建簿二眷翌式 f i g u r e1 - 2t w ot y p e so fc o l l e c t i n gc u r r e n tp i p e 图1 - 2 集流管的两种型式 第一种型式的扩散段较长，液体可以最大限度地将动能转变成压 能，但其内部断面的变化比较复杂，流动状况也比较复杂，引起的损 失因素就比较多，并且加工制造的难度比较大。第二种型式的扩散段 4 龠h蛐髯制姘譬 堕兰查兰堡主兰堡垒塞 较短，液体的动能转化不充分，但内部断面变化比较简单，流动状况 也很简单，流动引起的损失因数比较少，但因其流速高，其造成的损 失究竟哪个大，目前国内还没有人来研究。第二种型式的集流管的断 面尺寸明显比第一种大，通过试验表明：第二种型式的集流管的绕流 损失比第一种大。国内出现的大部分的集流管主要是单管，包括美国 贝克休斯公司的产品也都是单管，只有王成木工程师通过一系列的试 验对单管和对称双管的水利性能进行比较。但是，以前还没人对这两 种类型的集流管进行强度计算和比较。 集流管的喉部直径对旋喷泵的水力性能具有至关重要的影响，因 此它的选定显碍十分重要。集流管的扩散段长度也是影响泵的水力性 能b j 的重要参数。研究表明：集流管的长度直接决定着旋喷泵输出的 水头 6 1 大小。集流管长度越小，旋喷泵输出水头越小；集流管长度越 大，旋喷泵输出水头越大。但集流管的长度超过了叶轮的半径，旋喷 泵的输出水头就不会增加了，所以集流管的长度只要与叶轮的半径相 差无几就可以了。 从该泵用户反馈回来的信息表明：旋喷泵的集流管属于易损件， 在应用中易出现破裂、断裂的现象。通过对集流管进行强度结构分析， 可以以数值模拟的方式找出集流管的缺陷所在。为集流管的选型设计 提供了理论依据。从而生产出强度更可靠的集流管，使旋转喷射泵安 全、可靠的运行。因此，对集流管进行强度验证和计算分析是有必要 的。 1 2 研究项目的目的和意义 随着科学技术，尤其是计算机技术的发展和广泛应用，各种行之 有效的数值计算方法得到了巨大的发展。随着有限元理论基础u 8 l u 9 j 的 目益完善，出现了很多通用和专用的有限元分析软件。基于有限元理 论结构强度计算可以对结构的安全性、可靠性及使用寿命做出评价与 估计。 旋喷泵的集流管属于易损件，在应用中易出现破裂、断裂的现象。 通过对集流管进行强度结构分析，可以以数值模拟 2 1 j 的方式找出集流 管的缺陷所在，为集流管的选型设计提供了理论依据。从而生产出强 s 西华大学硕士学位论文 度更可靠的集流管，使旋转喷射泵更安全、更可靠地运行。 1 3 本研究项目的主要内容 本课题来源于四川省机械研究设计院。以该设计院设计的集流管 为例进行结构强度分析，利用结构强度分析软件建立集流管的三维模 型。并结合f l u e n t 软件分析得到的表面压力值，进行强度结构计算。 从数值模拟所得到的分析结果中，找到容易发生断裂、破裂的地方。 同时，对改进方案双集流管进行强度结构计算。并通过对比单集 流管和双集流管的强度分析结果，来确定在强度结构方面比较合理的 一种方案。从而达到改善旋转喷射泵的易损件集流管的强度性能 的目的。 主要内容具体如下： 1 建立单集流管的有限元模型：根据从机械研究所获得的集流管零件 图，用有限元分柝软件a n s y s 直接建立三维模型。并且选择适当 的单元类型进行网格划分，得到有限元模型【“。 2 对单集流管加载、求解并进行强度结构分析：根据从f l u e n t 软 件分析得到的表面压力，对集流管加载，然后选择适当的求解器求 解，分别进行集流管的节点和单元的结构强度分柝。 3 建立双集流管削的有限元模型：根据设计的双集流管零件图，用 a n s y s 直接建立三维模型。并且选择适当的单元类型进行网格划 分，得到双集流管的有限元模型。 4 对双集流管加载、求解并进行强度结构分析：根据从f l u e n t 软 件分析得到的表面压力，对双集流管加载，然后选择求解器并求解， 再分别进行双集流管的节点和单元的结构强度分析。 5 比较两种方案：通过对比单集流管和双集流管的最大应力强度以及 最大位移，从强度分析的角度确定强度性能较好的方案。 西华大学硕士学位论文 第二章有限元分析法和有限元分析软件a n s y s 2 1 有限元分析法简介 2 1 1 数值模拟技术的应用 在工程技术领域中有许多力学问题和场的问题，例如固体力学中 的应力应变和位移分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场 分析以及电磁学中的电场分析、振动模态分析等，都可以看作是在一 定的边界条件下求解其基本方程的问题。虽然人们已经建立了它们的 基本方程和边界条件，但只有少数简单的问题才能求出其解析解。对 于那些数学方程比较复杂，物理边界形状又不规则的问题，采用解析 法求解在数学上往往会遇到难以克服的困难。对这类问题，往往需要 借助于各种行之有效的数值计算方法来获得满足工程需要的数值解， 这就是数值模拟技术【1 7 n “。 在实际工程领域，用数值模拟技术对结构进行受力和响应分析， 就能在设计或施工前预知建筑结构的大概破坏情况，从而采取措施解 决。 目前在工程实际应用中，常采用的数值求解方法有：有限单元法、 有限差分法、边界单元法和加权余数法h 等。但是从实用性和使用范 围来说，有限单元法则是随着计算机的发展而被广泛应用的一种有效 的数值计算方法 9 1 。 2 1 2 有限元理论的简介 有限单元法的基本思想最早出现于2 0 世纪4 0 年代初期，在2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，有限单元法在理论上已基本成熟，并开始 陆续出现商业化的有限元分析软件，有限单元法的基本思想是将连续 的结构离散成有限个单元单，并在每一个单元中设定有限个节点，将 连续体看作是只在节点处相连接的组单元的集合体；同时选定场函 数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以 表示单元中场函数的分布规律；进而利用力学中的某些交分原理去建 7 西华大学硕士学位论文 立用以求解未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度 问题转化为离散域中的有限自由度d s 】问题。一经求解就可以利用解得 的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。 从图2 1 中可以看出有限元求解的内部过程。 当构离散化，输入或生成有限元网格 ll 计算单元刚度矩阵形成隐刚度矩阵 i 形成节点载荷向量 l 引入约束条件 l 解线性代数方程组 l 输出节点位移 l 计算并输出单元的应力 f i g u 。2 - 1i n t e r n a ls o l “t i o np r o c e s so ff i n i t ee l e m e n t 图2 1 有限元求解内部过程框图 由于单元可以设计成不同的几何形状，因而可以灵活的模拟和逼 近复杂的求解域。如果插值函数满足一定的要求，随着单元数目的增 加，解的精度会不断提高而最终收敛1 1 8 j 于问题的精确解，但是这却增 加了计算机计算所耗费的时间。在实际工程应用中，只要所得数据能 满足工程需要就足够了。 2 1 3 有限元方法的一般步骤 由于本课题是结构强度计算，因此这里仅考虑结构问题。通常， 对于结构应力分析问题，工程师寻求确定处于平衡状态受外加载荷作 用的整个结构中的位移和应力，很多结构很难用常规的方法确定变形 - 8 塑兰查堂婴主兰垡堡塞 分布，因此必须使用有限分析法。 有两种通常与有限元方法相关的方法。种方法叫做力法或柔度 法【l b j ，用内力作为问题的未知量。要得到控制方程，首先要使用平衡 方程，然后引进协调方程找出必要的附加方程。结果是一组确定多余 力或未知力的代数方程组。第二种方法叫做位移法或刚度法u “，假定 节点位移作为问题的未知量。例如，协调条件要求加载前连接到公共 点上的单元，沿着公共边界的单元，或公共表面上的单元在变形之后 要保持连接在这些节点上、边界上或表面上，这些协调条件最初要满 足。然而用平衡方程和力与位移的关系，借助位移表达这些协调控制 方程。 这两种方法在分析中得出不同的未知量( 力或位移) ，并得出与 其公式相关的不同矩阵( 柔度矩阵或刚度矩阵) 。由于位移法的公式 对大多数结构分析问题比较简单，因此对于计算机求解，位移法更符 合要求。故我在做集流管结构强度分析是选位移法。 分析人员必须就以下问题做出决定；将结构或连续体划分为有限 元的问题、选择单元类型或分析中要使用的单元类型、外加载荷的类 型、边界条件的类型、外加支撑的类型问题。有限元分析的般步骤 如下： 步骤一：离散和选择单元类型1 4 j 选择最适当的单元类型来最接近地模拟实际的物理性能。所用的 单元总数和给定物体内单元大小和类型的变化是需要工程判断的主 要问题。单元必须小到可以给出有用的结果，又必须足够大以节省计 算费用。计算结果会有剧烈的变化，如几何形状改变的地方需要用小 单元( 可能的话用高阶单元) ，结果变化大的地方可以用大单元。 主要的线单元由杆单元和梁单元组成。这些单元通常用来模拟桁 架和框架。线单元是要考虑的最简单的单元。 基本的二维单元或平面单元是在平面内受力，称为平面应力或平 面应变状态。它们社三角形单元或四边形单元。最简单的二维单元仅 有角节点和直边或直边界，称为线形平面单元，虽然还有高阶单元， 通常含有边中节点和曲线边界。这些单元通常用于模拟广泛的工程问 题。最普通的三维单元是四面体和六面体( 也叫砖单元) 。在必须进 ，o 塑兰查兰堡圭兰竺堡塞 行三维分析时使用这些单元。基本的三维单元只有角点和直边，而高 阶单元有边中节点。 步骤二：选择位移函数 步骤二为选择每个单元内的位移函数。该函数是用单元的节点值 在单元内部定义的。线形、二次和三次多项式是常常使用的位移函数， 因为它们建立有限元公式比较简单。对于二维单元，位移是其平面坐 标的函数，该位移函数用节点未知量表示，在二维问题中用一个x 分 量和一个y 分量表示。 每个单元可以重复使用同一个通用的位移函数。因此有限元方法 是这样一个方法：一个连续量，如整个物体内的位移，用一个离散的 模型来近似，而此离散模型是由每个有限域或有限单元内定义的分片 连续函数组成的。 步骤三：定义应变位移和应力应变关系 1 8 j 为了推导每一个有限单元的方程，需要应变位移和应力应变关 系。比如说，在一维变形和小应变的情况下，x 方向的应变f ，和位移 u 的关系如下： 5 ，ad u a x( 2 1 3 1 ) 此外，应力和应变必须通过应力应变关系( 通常叫做本构关系) 联系起来。在获得可按受的结果时，精确定义材料行为的能力是最重 要的。最简单的应力应变定律虎克定律，通常用于应变分析中，其由 下式给出： 仃，。；( 2 1 3 2 ) 其中，盯，为x 方向的应力，e 为弹性模量。 步骤四：推导单元刚度矩阵和单元方程 最初，单元刚度矩阵和单元方程的建立是根据刚度影响系数的概 念，需要有结构分析的背景知识。这里介绍加权残余法： 加权残余法在推导单元方程时很有用，特别有名的是伽辽金法。 当泛函 热传递。 流体流动，包括通过多孑l 材料的渗流。 电位或磁位的分布。 最后，某些生物力学工程问题( 可能包含应力分析) 通常包括人 的脊柱、头骨、股关节、颌移植、树胶牙齿移植、心脏和眼的分析。 2 1 5 有限元方法的优点h s 】 正如前面所说，有限元方法已应用于大量问题，鄙包括结构问题， 也包括非结构问题。这种方法有很多优点，因而用得很普遍。这些优 点包括： 夺可以很容易地模拟不规则形状的结构。 令可以毫无困难地处理一般的载荷条件。 夺因为单元方程是单个地建立的，因此可以模拟由几种不同 材料构成的物体。 夺可以处理数量不受限制的和各种类型的边界条件。 单元的尺寸大小可以变化，必要时可使用小单元。 夺改变有限元模型比较容易，花费不大。 夺可包括动态作用。 夺可处理大变形和非线形材料带来的非线形问题。 结构有限元分析使设计者能在设计过程中探知应力、振动和热应 力问题，能够在构造样板之前对设计更换做出估计。因此，对样本可 以接受的信心就增强了。此外，如果用得适当，有限元方法还可以减 小必须建造的样板的数量。 虽然有限元方法开始时是用于结构分析的。它现在已经被修改可 实用于工程和数学物理领域的其他学科，如流动、热传导、电磁电位、 1 ，一 西华大学硕士学位论文 土木学和声学。 2 1 6 有限元方法计算机程序d s 】 用有限元方法求解问题有两种通常的计算机处理方法。一种是使 用大型的商用程序，其中很多已配置可以在个人计算机上运行。这些 通用目的的程序设计用来解决很多类型的问题。另一种方法是建立很 多小型的专用程序以解决特定的问题。专用程序的主要缺点是不能解 决不同类型的问题。因此，有多少类型的问题需要求解，就有多少个 程序。以下是求解有限元问题的商用软件： 1 a n s y s 2 c o s m o s m 3 s t a r d y n e 4 i m a g e s 3 d 5 m s c n a s t r a n 6 g t - s t r u d i 。 2 2 有限元分析软件a n s y s i - 1 【3 】1 1 7 【2 。】 2 2 1a n s y s 软件简介 a n s y s 程序是一个功能强大的灵活的设计分析及优化，融结构、 热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件。可广 泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽 车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、 水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了一个不断改进 的功能清单，具体包括：结构高度非线形分析、电磁分析、计算流体 动力分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变有限转动 功能以及利用a n s y s 参数设计语言a p d l 的扩展宏命令功能。在产 品设计中，用户可以使用a n s y s 有限元软件对产品性能进行仿真分 析，发现产品问题，降低设计成本，缩短设计周期，提高设计的成功 率。a n s y s 软件能与大多数c a d 软件实现数据共享与交换，如 p r o e n g i n e e r 、n a s t r a n 、i - d e a s 和a u t o c a d 等，他是现代产品设 计中高级的c a d i c a e 软件之一。 1 3 西华大学硕士学位论文 2 2 2a n s y s 软件的功能 a n s y s 软件含有多种有限元分析的能力，包括从简单的线形静 态分析到复杂非线形动态分析。典型的a n s y s 分析过程可以分为以 下三个步骤： 创建有限元模型 施加载荷进行求解 查看分析结果 a n s y s 软件应用了很多模块，因此具有强大的功能。其模块化结 构如图所示。 模块结构 p r e p 7 前处理器 s o l u ti 口n 求解器 p o s t l 通用后处理器 p 0 5 t 2 6 时间历程后处理 o p t 优化设计模块 r u n s t a t 估计分析模块 b t h e r 其他功能 f i g u r e2 2m o d u l es t r u c t u r eo ff i n i t ee l e m e n t 图2 - 2 有限元模块化结构框图 有限元的分析过程中，程序通常使用以下三个部分：前处理模块 ( p r e p 7 ) 、分析求解模块( s o l ，u t i o n ) 和后处理模块( p o s t l 和 p o s t 2 6 ) 吐前处理模块是一个强大的实体建模和网格划分的工具， 通过该模块用户可以建立想要的工程有限元模型。分析求解模块是对 以建好的模型在一定的载荷和边界条件下进行的有限元计算，求解微 1 4 里兰查兰堡圭兰堡堡兰 分方程。后处理模块则是对计算结果进行处理，可以将结果以等值线、 梯度、矢量、粒予流及云图等图形方式显示出来。当然，也可以用图 表、曲线的方式输出。 2 。2 3a n s y s 的主要技术特点 唯一能实现多场及多场耦合n 0 1 功能的软件。 唯一实现前后处理、分析求解及多场分析统一数据库的大型f e a 软件。 独一无二的优化功能，唯一具有流场优化功能的c f d 软件。 融前后处理与分析求解于一身。 快速求解器。 最早采用并行计算技术的f e a 软件。 从个人机、工作站、大型机直至巨型机所有硬件平台上全部数据 文件兼容。 智能网格划分。 从个人机、工作站、大型机直至巨型机所有硬件平台上统一用户 界面。 可与大多数c a d 软件集成并有接口。 多层次多框架的产品系列。 良好的用户开发环境。 2 2 4a n s y s 软件的分析类型 a n s y s 软件有以下分析类型：结构静力分析、结构动力分析、结 构屈曲分析、结构非线性分析、热力学分析、电磁场分析、声场分析、 压电分析和流体动力分析。 结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和应变。静力分 析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。a n s y s 程 序中的静力分析不仅可以进行线形分析，而且可以进行非线形分析， 例如：塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变d j 及接触问题的分析。 西华大学硕士学位论文 第三章单集流管强度结构计算 国内出现的大部分的集流管主要是单管，包括美国贝克休斯公司 的产品也都是单管。本章以x p b 3 4 0 1 4 旋喷泵b j 的集流管为例，对单 管结构进行强度结构分析，由计算结果找出集流管出现断裂、破裂的 原因。那么，怎样才能得到个合理的计算结果昵? 这就需要对模型 的建立、网格的划分、载荷的施加、求解器等进行正确的选择、处理。 本章将详细讨论这些问题。 3 1 旋喷泵的结构简介 旋喷泵是一种工作原理和结构都很独特的极低比转数泵( 见图 3 - 1 ) 。它的主要工作部件为静止的集流管和高速旋转的转子体。集流 管由吸入段、扩散段和出口段组成，转子体刚由叶轮和转子腔两为一 体。液体通过吸入室，流经轴向集流管的外侧，进入高速旋转的转子 腔内，然后进入静止的径向集流管内。因为径向集流管是扩散管，它 把液体的动能转换为压力能，液体从轴向集流管内排出。 23 出 入 ( 1 、轴承箱2 、主轴3 、轴承4 、转子腔5 、集流管6 、叶轮7 、机械密封8 吸入室) f i g u r e3 - 1s t r u c t u r eo fr o t o - j e tp u m p 图3 - 1 旋喷泵结构简图 1 6 耍兰奎堂堡主堂垒笙奎 3 2 单集流管结构强度结构分析 3 2 1 建立实体模型1 4 l 3 2 1 1 建模概述 建立几何模型所有的操作都是在菜单m o d e l i n g 中完成的，在菜单 m o d e l i n g 中主要用到的子菜单有以下几个： c r e a t e 子菜单是建立点、线、面、体的。 夺o p e r a t e 子菜单是对各种图元( 点、线、面、体) 进行各种各样的 操作，如加、减、布尔等操作。 夺m o v e m o d i f y 子菜单则是对图元进行移动、修改用的。 夺c o p y 子菜单是对前面所建立的图元进行复制，分为划分网格前和 划分网格后两种情况的复制。r e f l e c t 是对所建立的图元进行反射 或者说是折叠。 4 - c h e e kg e o m 子菜单则是给用户一个方便，用来检查、核对所建立 的几何模型是否正确。 夺d e l e t e 和u p d a t eg e o m 子菜单分别是对检查出来的几何模型错 误的部分进行删除和更新几何模型的数据。 按图纸提供的数据，以至下而上的建模方法建立单管集流管模 型，即先确定关键点，然后由点生成线，再由线生成面，最后由面生 成体，完成集流管几何模型的建立。接下来再网格化、建立集流管的 有限元模型。在至下而上建模的同时，结合布尔运算i l j 来处理模型， 我在建立模型的过程中比较常用的布尔运算有：交运算、加运算、减 运算、搭接、分割、粘接。 实体建模中遇到的主要问题是：布尔操作失败。 布尔运算提供了一套强有力的工具，使用户能以最少的输入生成 复杂的几何形状。当布尔运算出现困难时，可能是由于实体退化【2 j 或 不连续而失败。 退化： 退化是由几何形状或拓扑结构所引起的。a n s y s 将退化归结为 参数的( 几何形状) 或拓扑结构的退化。我们可以用以下方法来显示 退化： 1 ) 、输入命令p f u e n 后，会在退化的关键点处出现红星。 1 7 塑兰盔堂堕主兰堡堡塞 2 ) 、显示面的退化： 命令：a p l o t ，d e g e g u i ：m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r o p e r a t e s h o wd e g e n e r a c y ；p l o td e g e n a r e a s 3 ) 、显示体的退化 命令：v p l o t ，d e g e g u i ：m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r o p e r a t e s h o wd e g e n e r a c y p l o td e g e n v o l u s 不连续： 一般地，不连续是实体图元中的尖的转折点，是由于具有不同切 线的合并线( l c o m b ) 或从i g e s 输入所引起的。虽然许多实体模型 操作支持包含不连续的图元，但布尔运算不能直接支持不连续，在进 行布尔操作之前应将图元在不连续点处或沿不连续处将图元分开。 零件倒角后易出现退化或不连续的情况，同时考虑到倒角与否对 集流管的强度分析影响很小，故我没有对集流管模型进行倒角。另外， 应用其它专门建模软件( 如a u t o c a d ) 建立的模型导入a n s y s 后要 经过比较烦琐的修改才能网格化，因此我用a n s y s 软件直接建模。 3 2 1 2 建立单管集流管的模型： a 、定义工作文件名和工作标题 1 ) 、定义工作文件名：定义单集流管模型的工作文件名为1 。 f i g u r e3 - 2d i a l o gb o xo fc h a n g ej o b n a m e 图3 - 2 c h a n g ej o b n a m e 对话框 2 ) 、定义工作标题：将工作标题定义为j l g ( 集流管的拼音 缩写) 。 1 8 - 西华大学硕士学位论文 f i g u r e3 - 3d i a l o gb o xo fc h a n g et i t l e 图3 - 3c h a n g et i t l e 对话框 b 、定叉分析类型 本课题为结构强度分析，故选择分析类型选项s t r u c t u r a l 。 f i g u r e3 - 4d i a l o gb o xo fp r e f e r e n c e sf o rg u if i l t e r i n g 图3 4p r e f e r e n c e sf o rg u if i l t e r i n g 对话框 c 、定义单位 a n s y s 软件没有为系统指定单位，可以在工程分析中使用饪何一 种单位制，我选择的是s i ( 国际单位制) 。 d 、选择坐标系 a n s y s 程序提供了多种坐标系。比如：笛卡尔坐标【2 j 、柱坐标、 球坐标等。集流管既非圆柱，又非球体，根据其结构特点，我选择笛 卡尔坐标。另外，我也用到局部坐标系来更好地对某些局部建模。 e 、定义关键点 用自底向上的方法构造模型时，首先定义最低级的图元：关键点。 我们不必总是用从低级到高级的办法定义所有的图元来生成高级图 元【“，可以直接在它们的顶点由关键点来直接定义面和体。中间的图 元需要时a n s y s 程序会自动生成。，a n s y s 程序提供了多种定义关灌 点的方法，建模过程中我用到的有： 1 1 、定义革个关键点 1 9 塑兰查堂堡主兰垡笙墨 命令： g u l ：m a i n m e n u p r e p r o c e s s o r c r e a t e k e y p o i n t s i na c t i v ec s m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r c r e a t e k e y p o i n t s o nw o r k i n gp l a n e 2 ) 、在已知线上给定位置定义关键点 命令：k l g u i ：m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r c r e a t e k e y p o i n t s o nl i n e 在创建关键点的过程中可以通过主菜单中的l i s t 菜单获取关于关 键点的信息，如坐标、数字序号等。下图为l i s t 菜单： f i g u r e3 。5l i s tm e n u 图3 - 5l i s t 菜单 当创建关键点比较多时，因为在创建过程中可能会删除一些不合 适的点，造成数字序号不连续，这时可以用n u m b e r i n gc t r l s 来管理数 字。其中的c o m p r e s sn u m b e r s 可对节点、单元、关键点、线、面、 体进行序号压缩。对照序号我们可通过l i s t 菜单方便了解以上图元的 信息。 f i g u r e3 - 6c o m p r e s sn u m b e r sm e n u 图3 - 6c o m p r e s sn u m b e r s 菜单 经过压缩数字后单管集流管模型共有9 7 个关键点，其分布如图 ( 可对照右上小图来看) 西华大学硕士学位论文 f i g u r e3 - 7p o i n tm o d e l so fc o l l e c t i n gc u r r e n tp i p e 图3 7 集流管的点模型 f 、 创建线 线主要用于表示物体的边。集流管的外形较复杂，包括直线、圆 弧线、曲线。多数情况是在上一步生成的关键点的基础上创建线，但 也可根据情况用另外的方法来建线。可以适当地选取以下方法： 1 ) 在两个关