基于ABAQUS的泥浆泵泵体模态分析

1、基于ABAQUS的泥浆泵泵体模态分析摘要：泵体是泥浆泵的重要组成部件，其质量直接影响到泥浆泵的使用寿命，利用ABAQUS分析软件对泥浆泵泵体的固有振型进行了分析。全面了解1600HP型泥浆泵泵体动刚度的分布，发现动刚度的薄弱环节和过剩部位，对泵体的改造进行动态特性分析和动态设计，使泵体的质量和刚度有一个合理的分布，进一步改善泵的动态特性，提高其抗震性，全面提高泥浆泵的质量，延长泵的寿命。关键词：泥浆泵；泵体；模态分析；有限元；模态分析泥浆泵是钻井液循环系统中的关键设备，它将机械能转变为钻井液的液压能，为钻井循环系统提供动力。随着高压喷射钻井新工艺的不断革新及推广，对泥浆泵功率、排量及泵压等性能

2、参数提出了更高的要求。本次研究采用有限元法对1600HP型泥浆泵泵体进行了动态方针研究，对泥浆泵泵体在有约束条件下的模态分析得出了前10阶的固有频率和相关振型，研究各阶模态对于泵体的影响，并对固有振型进行了详细的分析和评价1。1.模态分析基本原理机械结构在实际工作过程中，会受到不同动力的影响，当这些动力对机械结构的影响不能引起明显的惯性效应时，我们可以不考虑动力的影响。但是当动力的作用能够使结构本身产生明显加速度时，我们就必须对其动力进行分析。模态分析时用来确定结构固有振动特性的一种技术，是所有动力学分析类型中最基础的内容。振动系统的固有特性包括固有频率和固有振型。它完全由系统固有的物理性质所

3、确定，与初始条件无关。结构的振型特性决定着结构对于各种动力载荷的响应情况，当载荷的频率和结构本身的固有频率相近时，结构就会发生明显的共振2。模态分析能使设计人员认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的，有助于在其它动力分析中估算求解控制参数，它也是其它动力分析的基础3。机械系统都是一个无限多自由度的系统，它们由具体分布参数的元件所组成。大多数振动结构都可离散成有限个自由度的多自由度系统4。动力学分析是将惯性力包含在动力学平衡方程中：其中，M是结构的质量；Ü是结构的加速度；I是结构中的内力；P是所施加的外力。动力学分析和静力学分析最主要的不同在于平衡方程中包含惯性力项（），两者的另

4、一个不同之处在于内力I的定义。在静力学分析中，内力仅由结构的变形引起；动力学分析中的内力包括运动（例如阻尼）和结构变形的共同影响。最简单的动力问题是在弹簧上的质量振动，如图5-1所示。图1 质量-弹簧系统弹簧的内力为Ku，所以运动方程为： （5-1）这个质量弹簧系统的固有频率（单位是弧度/秒）为： （5-2）如果质量块被移动后再释放，它将以这个频率振动。假若以此频率施加一个动态外力，位移的幅度将剧烈增加，即所谓的共振现象。实际的结构具有多个固有频率。因此，在设计结构时避免使各固有频率与可能的载荷频率过分接近就很重要。固有频率可以通过分析结构在无载荷（动力平衡方程中的p=0）时的动态响应而得到。

5、此时，运动方程变为： （5-3）对于无阻尼系统，I=Ku，则上式变为： (5-4）这个方程解的形式为： （5-5） 将此式代入运动方程中便得到特征值问题方程： (5-6)其中=2。该系统具有n个特征值，此处n是有限元模型的自由度数。记j为第j个特征值。它的平方根j是结构的第j阶固有频率，并且j是相应的第j阶特征向量。特征向量也就是所谓的模态，因为它是结构在第j阶振型下的变形状态。在ABAQUS中，频率提取程序用来求解结构的振型和频率。这个程序使用起来十分简单，只要给出所需振型的数目和所关心的最高频率即可。2.建立模态分析有限元模型模态分析的建模过程和静力学分析的建模过程类似，但应注意两点：（1

6、）模态分析中只能使用线性单元和线性材料，非线性性质将被忽略。（2）必须定义密度。本文模态分析仍然使用静态力学分析时的网格模型，另外定义材料密度5-6。模态分析需要定义分析类型和分析选项、施加载荷、制定载荷步选项和提取的固有固有频率范围。模态分析中唯一有效的载荷是零位移约束，如果在某个自由度处指定了一个非零位移约束，软件将以零位移约束代替该自由度。泵体模态分析加载时将泵体底板与底座的接触部分约束其全部自由度，如图2。图2泵体模态分析的有限元模型3.泵体模态分析结果大量的理论和实践证明：当系统在动载荷作用下产生振动时，高阶模态的固有频率较高，不会产生共振，通常只是阶次较低的几个模态的共振危害较大。

7、所以在模态分析时，不必求出结构的全部频率和振型，而只需得到结构的前几阶模态47。本文去泵体的前十阶模态进行分析，见图3。第一阶振型（f=77.179Hz)：主要表现为泵体曲轴左轴承座做左右扭转振动，最大振幅为0.1000，曲轴右轴承座做小幅扭转振动。第二阶振型（f=82.128Hz）：主要表现为泵体曲轴右轴承座做左右扭转振动，最大振幅为0.1000；曲轴左轴承座做小幅左右振，顶板一作小幅上下振。第三阶振型（f=93.105Hz）：主要表现为顶板一作上下大幅振动，最大振幅为0.1009。第四阶振型（f=103.624Hz）：主要表现为泵体后连接板作前后大幅扭转振动，最大振幅为0.104。第五阶振

8、型（f=104.884Hz）：主要表现曲轴右轴承座做左右大幅扭转振动，最大振幅为0.1001，曲轴左轴承座作左右振，后连接板作前后振，顶板一、二微振.第六阶振型（f=137.716Hz）：主要表现为横隔板一作前后扭转振动，最大振幅为0.1001。第七阶振型（f=151.179Hz）：主要表现为顶板二作上下大幅扭转振动，最大振幅为0.1123，顶板一作小幅扭振。第八阶振型（f=158.841Hz）：主要表现为底板一作上下大幅扭转振动，最大振幅为0.1000，后连接板作前后振。第九阶振型（f=159.258Hz）：主要表现为底板一作上下大幅扭转振动，最大振幅为0.1000，前连接板作大幅左右扭转振

9、动，后连接板作前后振，顶板一，前墙板微震。第十阶振型（f=190.661Hz）：主要表现为下支撑板作上下大幅扭转振动，最大振幅为0.1019，支撑筋作上下扭转振动，顶板一作上下扭转振动，顶板一、二、后连接板、前墙板作小幅振动。图3 泵体振型图4.泵体模态振型表现原因分析从模态各阶振型分析可以得出，可以总结出主要的薄弱部位:泵尾部开口部位和泵头前连接板部位，这两个部位在低频阶段的模态振动中振幅较大。泵体的中部墙板和泵体前墙板部位，动刚度较大，振幅较小。下边针对上述两个薄弱部位，进行原因分析。从泵的结构可以看出，泵尾开口部位的边界为自由边界，并且在开口部位附近又开了一个齿轮轴孔，虽然有加强筋在起作

10、用，但这不足以补偿开口的减弱，使得开口部位在局部范围内振幅较大，主要表现在顶板一、后连接板、底板一、轴承座在大多数模态振型中振幅均较大，若考虑到后盖的部分加强作用，开口部位仍是整个泵体动刚度最小、最薄弱的部位。因而，加强筋在整个泵体中的加强作用应适当加强，以增大开口部位的动刚度，降低振动幅值。另外泵头部的前连接板左右向动刚度较弱，表现为出现大幅左右向振动和扭振。综上，泵体并非整体刚度偏弱，而只是泵尾开口部和前连接板处偏弱，另外泵体的墙板和泵体内部刚度过剩。泵体结构整体动刚度不均匀，质量、刚度分布不合理，动力性能尚可进一步优化。参考文献1杜洋，刘昕辉等.基于HyperWorks的齿轮泵泵体模态分析J.北华大学学报，2011,6:716-719.2邢玲，孙铁等. 9800焦炭塔结构的模态分析分析和振型研究J.压力容器，2012,2:17-2