离心泵振动噪声分析研究

离心泵振动噪声分析研究 首届用户大会论文集 2006 离心泵振动噪声分析研究 叶建平 东风康明斯发动机有限公司 441004 摘要：在只考虑受径向力作用下，用有限元分析软件 进行了离心泵的振动响应分析。计算离心泵受到激励时的振动位移、振动速度；并把在 建立的有限元模型和计算的振动速度导入 进行辐射声场分析，计算辐射声场中场点的声压值和声压级，同时研究离心泵部分形状改变对离心泵结构辐射噪声功率的影响。 关键词：离心泵，有限元，边界元，优化设计，辐射声场 o.,It us in of of of to of of to of in of 引言： 离心泵 振动产生的原因很多，其中径向力是一个主要原因。在知道了蜗壳所受径向力的变化后，为以后的振动及噪声辐射计算打下了基础 。 21 模方法的选择 利用 件建立有限元模型，有两种建模方法：一是利用实体造型功能，首先创建实体模型，然后再在实体模型的基础上，进行网格划分操作，完成有限元模型；二是直接生成有限元网格的方法。直接生成有限元网格的方法，对一些简单实体而言，比较容易实现，而对于离心泵机体这样的复杂结构，要想利用该方法，必须进行大量的简化才能够进行。大量简化以后的模型与实际结构之间的差别较大。而且，直接生成有限元网格，网格的密度是一定的，因此在建模之前，对用多少单元能够描述实际结构必须心中有数，网格密度的修改比较麻烦；而在实体模型的基础上划分网格，可很方便地控制网格的密度，适合于复杂结构的建模。 近年来，有限元前处理技术进展的一个突出特点是 何造型（特别是三维实体造型）1离心泵振动噪声分析研究 首届用户大会论文集 2006 技术的引进。基于三维实体模型建立有限元网格符合现代 行工程的要求。显然，这样极大地提高了分析结果的可信度，同时也大大提高了有限元网格模型的生成速度和分析效率，节约了大量的时间和人力。这对于有限元技术的实际运用具有重要意义。目前，通过许多大型 件（如 等） ，人们可以比较方便地建立离心泵复杂的实体模型，并导入到有限元的前处理模块中去。 因此，本文采用实体造型功能中的自上向下的建模方法来构造离心泵的实体模型。 型的简化与实体模型的建立 心泵，是一个经铸造、机械加工得到的形状较为复杂的实体。建立有限元模型时，不可能将这些复杂的结构全都考虑进去，难以使模型的质量矩阵与刚度矩阵与实际相符，否则模型过于复杂，因此必须根据有限元分析的需要对离心泵进行必要的简化。简化时，应根据分析需要，考虑一些起主导作用的因素来建立离心泵的简化模型。实体模型主要的简化包括以下几个方面： （1）忽略一些局部结构。由于基于该实体模型的有限元模型是为谐响应分析和噪声辐射分析做准备的，而这与有限元应力分析、变形分析不同，不需要了解机体局部的特性与应力状况，因此可以对安装机体附件用的凸台、小的螺栓孔、油道、油孔等对整个特性影响较小的局部结构予以忽略。 （2）简化了局部结构的一些细节。对离心泵上的结构结合处的圆角、倒角等细节予以简化，对一些凹槽等也加以简化，这些细小的结构对应力分布影响比较大，而对于整体的振动模态等动力学特性影响非常小，而且这些细部结构，网格划分有些困难。 为了提高分析的精度，对一些细部结构进行优化，保留了一些重要的结构。如对本文中研究的离心泵，简化了泵体上面许多油孔、圆角、倒角等，保留了泵体的基本轮廓。图 1 为用 建立的离心泵的一种三维实体模型，图 2 为离心泵的真实实物。 图 1 离心泵实体模型 图 2 真实工作的离心泵 2离心泵振动噪声分析研究 首届用户大会论文集 2006 体有限元模型的建立 有限元网格模型（包括节点数据、单元信息、物理特性、材料特性）的建立是用有限元法求解问题的先决条件。在整个求解过程中，它通常具有最大的工作量。值得注意的是，尽管有限元网格自动生成技术有了很大的发展，但是对于大型的复杂结构，仍然存在不少困难。主要表现在两个方面，一是几何元素过多，如本文中建立的 离心泵的一种实体模型，要生成其有限元网格需要高性能高配置的硬件，对于没有经过简化的实体模型，现有的硬件无法实现。另外的困难就是一些几何元素太复杂或者几何元素尺寸的大小相差悬殊，如一些细节部分，导致网格划分失败或生成网格的质量很差。 建立了简化的实体模型后，将模型导入 件进行有限元网格划分。在模型导入和网格划分过程中，可能会出现导入失败或者网格划分失败的情况。这主要是由于结构非常复杂，三维实体造型的一些细节存在问题或者过细，导致失败，这就需要修改实体模型将模型局部（泵体上面油孔、圆角、倒角等）简化，这些模型修改工作非常繁琐费时，是建立有限元模型中工作量最大的地方。 元类型选择与网格划分 在有限元模型的动力学分析中，有限元网格的划分尤其重要，其划分的质量直接关系到计算的精度与速度。进行有限元网格划分时，首先必须确定单元类型。用三维实体单元描述机体结构，更能反映机体的实际状况。在有限元中，三维实体单元有两类：六面体单元和四面体单元。由于六面体单元划分时要求结构的形状比较规则，而对于离心泵这样的复杂构件，对其进行六面体网格的自动划分是非常困难的，目前还没有一个软件能对其进行六面体单元网格自动划分而得到较好的网格质量。而用四面体单元来划分三维结构，单元划分比较灵活，可以适应复杂的几何形状。因此本文采用 10 节点四面体单元 分网格。单元 网格的数量多少直接影响计算的精度和计算规模的大小。 一般来说，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，而当网格数量增大到一定数量后，网格数量再继续增加，而计算精度提高很少，计算规模却增大很多，所以在确定网格数量时应权衡这两个因素综合考虑。一般在静力学分析时，如果仅仅计算结构的变形，网格数量可少一些；若计算应力，则在精度要求相同的情况下应取较多的网格，特别是有结构突变的地方，网格应该划分更细一些。在计算结构固有动力特性时，如果仅仅计算少数低阶模态，可采用较少的网格；若计算模态阶次较高，则应该选择较多的网格。 网格划分的疏密均匀度也随分析问题的不同而有所不同。 对一个结构进行应力分析（包括静应力和动应力），需要划分疏密不同的网格，在应力集中的突变部位需要采用密的网格。离心泵振动噪声分析研究 首届用户大会论文集 2006 而计算固有特性时则应趋于采用较均匀的网格形式。这是因为固有频率和振型主要取决于结构质量分布和刚度分布，不存在类似应力集中现象，采用均匀网格使结构刚度矩阵和质量矩阵的元素不致相差太大，可减少数值计算误差。 本文主要计算机体的固有特性，因此采用较少的网格数量，并采用尽量均匀的网格密度，利用 格划分功能对机体进行一次性网格自动划分，无人工干预，使网格划分更加合理。 将机体的三维实体模型导入 义单元类型后， 进行网格划分。 图 3 为 (a) 30格划分 (b) 40格划分 图 3 30 40种尺寸的网格划分图 有限元网格划分好之后，需要确定机体的材料， 心泵采用灰口铸铁，有关材料特性见表 1。 表 1 离心泵材料特性参数 密度/（/ ） 3m 弹性模量/松比 7000 175 体有限元分析边界条件的确定 从数学的角来讲，问题的边界条件属于解的唯一性条件，对它的模拟合与否直接影响解的合理性。边界条件的施加是离心泵有限 元分析的难点之一。边界条件的施加方式与有限元网格模型的生成方式直接相关，对基于几何模型建立的有限元模型，边界条件可以施加在几何模型的边、表面、点。一旦生成有限元模型，软件可自动将边界条件转换施加到节点、单元面和单元边等有限元实体。几何位置点（顶点、边或面上的位置点）上施加的边界条件必须对模型进行自由式网格划分后再施加才能生效。为了确保每一个几何点都与几点相关联，应该对几何点施加边界条件后再进行模型网格划分。这样使繁杂的边界条件施加变得直观方便。 边界条件的确定方法大体上可分为解析法、试验法和试算 法。实际上精确的边界条件的确定是非常困难的。 心泵在实际工作中是通过螺栓 固定在装置的机架上。而4离心泵振动噪声分析研究 首届用户大会论文集 2006 本文为了便于简单分析，因此只将离心泵的底座固定，其它的部分不加考虑。 图 4 离心泵实体模型 体载荷计算及施加 离心泵运转过程中，泵体受力非常复杂，对于动力学问题 ，结构除受动载荷作用外，还受分布于体内的惯性力。实际过程中泵体受以下力的作用： 考虑到实际中径向力是离心泵造成振动的主要原因，所以 本文主要对离心泵的径向力所产生的强迫振动进行分析。图 5 为径向力作用点示意图，图 6 是额定流量下径向力随频率的变化。 图 5 径向力作用点示意图 图 6 频域上径向力的分布 根据创建的离心泵有限元模型，在 计算离心泵的频域响应，频域响应的计算结果为有限元节点的强迫振动加速度、速度和位移。通过分析节点的强迫振动速度，进一步分析离心泵辐射噪声的特征，为下一步结构优化，降低噪声作准备。图中节点 46367 靠近水泵的内部流道，因此选取此点可以反应出由径向力所产生的离心泵振动特征，如果选择其它节点，在实际中受到诸如轴向力影响，不能较好的反应由径向力所产生的特征。 5离心泵振动噪声分析研究 首届用户大会论文集 2006 图 7 节点 46367 的位置分布 图 8 节点 46367 加速度幅频图 图 9 节点 46367 速度幅频图 图 10 节点 46367 位移幅频图 图 11 25离心泵整体加速度分布 图 12 25离心泵整体速度分布 6离心泵振动噪声分析研究 首届用户大会论文集 2006 图 13 25离心泵整体位移分布 从频域响应图形（图 8 10）可以看出：在加速度、速度、位移幅频 图中出现了一个明显的峰值，且峰值基本上都出现在频率为 ， 在加速度、 速度幅频图上则在频率 150于离心泵叶轮转速为 1450r/转一周的时间 算成频率为 频），并且本文研究的是具有 6 个叶片的离心泵，这说明离心泵不只在基频处的振动厉害，在 150振动也比较大。从响应云图（11 13）又可以看出：离心泵的出口处振动加速度、速度、位移幅值最大，而底座处振动加速度、速度、位移幅值最小，因为是频域响应云图，所以加速度、速度、位移分布特点基本上相同。为了更好的分析径向力所产生的强迫振动，本文还计算了 40m3/h， 60 m /h 等几种情况下的频率响应。根据频率响应的计算结果作出了有限元节点 46367 在各种不同工况下的加速度、速度和位移幅频图进行对比（如图 1416）。 3图 14 三种不同工况下加速度幅频图 7离心泵振动噪声分析研究 首届用户大会论文集 2006 图 15 三种不同工况下速度幅频图 图 16 三种不同工况下位移幅频图 从三种不同工况下的频域响应结果分析可以看出一些规律： 1三种工况皆在加速度、速度、位移幅频图的 24出现了一个明显的峰值，加速度、速度幅频图在频率 150又出现了一个峰值。 2在 50m3/h（额定流量）时振动的加速度、速度、位移幅值最小，而在流量为 60m /度、位移幅值较大，在流量为 40m3/h 时振动的加速度、速度、位移幅值最大。这也符合离心泵的径向力的特征：在额定流量下径向力最小。 32 离心泵的辐射声场分析 为了进行辐射声场分析，首先把在 创建的有限元模型和计算的振动速度导入 作为声学模型的边界条件。然后设定介质属性，除非分析特殊环境中的辐射声场，一般情况下默认的介质为空气。根据离心泵的结构形状及尺寸，在 件中以离心泵的几何中心为球心，建立一个半径为 球体，用球表面上的点来表示离心泵辐射声场中的场点，球和离心泵的相对位置见图 17。 图 17 辐射声场与离心泵的相对位置 由于离心泵叶片转速为 1450r/转一周的时间 算成频率为 频），而离心泵又有 6 个叶片，叶频为 150因此对是基频的倍数的频率分析显得尤为重要，以下就是离心泵在不同基频倍数(1,2,3,4,5,6) 的频率下整个球面上的场点声压分布云图 (左图8离心泵振动噪声分析研究 首届用户大会论文集 2006 为球场声压分布，右图为球场内离心泵的位置) 。 图 18 频率为 25的场点声压分布 图 19 频率为 50的场点声压分布 图 20 频率为 75的场点声压分布 9离心泵振动噪声分析研究 首届用户大会论文集 2006 图 21 频率为 100的场点声压分布 图 22 频率为 125的场点声压分布 图 23 频率为 150的场点声压分布 从以上的声压分布云图（图 18 至图 23）可以看出以下一些特点： 1在频率为 2550，辐射的球场上靠近离心泵的入口处和联轴器处的声压较大。而靠近离心泵中间部分的声压较小。 2在频率为 75100，球场上面声压较大部分主要集中在靠近离心泵的入口处。 3在 125球面上的声压分布发生了很大变化，较大声压集中在靠近离心泵的出口处，而到 150，这一现象更加明显。 3 结论 结构噪声控制是噪声与振动控制领域的一个重要的研究方向。从虚拟设计的角度来看，结构噪声的控制应该包括以下各方面的工作：结构模型的建立（包括实体模型、有限元模型、10离心泵振动噪声分析研究 首届用户大会论文集 2006 边界元模型，也包括各种边界约束条件、激励情况等）、数值分析与振动噪声性能预测（包括有限元振动谐响应分析、边界元分析等等）