【摘 要】隔膜是在封閉的隔膜室內(nèi)往復(fù)工作的，這就給測試隔膜工作時的受力及變形狀況帶來很大的麻煩，因此有必要采用有限元分析的方法對隔膜的工作過程進行數(shù)值模擬，研究隔膜工作時的受力及變形情況.在本文中，針對隔膜工作過程，建立三維對稱結(jié)構(gòu)的隔膜腔及隔膜整體有限元模型，對其進行流固耦合分析，以期望得出模擬隔膜運動中應(yīng)力和位移變化的合理數(shù)值模擬方法。

【關(guān)鍵詞】隔膜;流固耦合;數(shù)值模擬

0.前言

隔膜把液壓油和輸送漿體隔離開來，使輸送漿體無法外漏，同時避免了漿體中高腐蝕性、高磨礪性的顆粒性介質(zhì)對泵體造成的損壞.隔膜使用壽命的長短直接關(guān)系到產(chǎn)品的性能和工作效率.而隔膜在封閉的室內(nèi)往復(fù)工作，這就給測試工作時的受力及變形狀況帶來很大的麻煩。因此有必要采用有限元分析的方法對隔膜的工作過程進行數(shù)值模擬，研究隔膜工作時的受力及變形情況。目前，不考慮流體對隔膜的作用，隔膜結(jié)構(gòu)件的有限元分析已有不少工作。但考慮隔膜真實工作時兩側(cè)流體影響的數(shù)值卻鮮有報道。文獻[1]將隔膜簡化為殼單元，同時施加位移載荷作為隔膜運動的邊界條件。文獻[2]將隔膜簡化為圓盤形狀來進行分析，和隔膜實際形狀出入太大。文獻[3]對隔膜頭部密封結(jié)構(gòu)的密封性能進行了靜態(tài)有限元分析，得出了一定的結(jié)果，然而實際工作是動態(tài)過程.文獻[4]對真實幾何模型做了二維軸對稱結(jié)構(gòu)的有限元分析。

在本文中，針對隔膜工作過程，建立三維對稱結(jié)構(gòu)的隔膜腔及隔膜有限元模型，結(jié)合真實工況對其進行流固耦合瞬態(tài)分析，最后針對兩種不同的方法和結(jié)果展開對比，以此期望得出模擬隔膜運動中應(yīng)力和位移變化的合理數(shù)值模擬方法。

1.隔膜橡膠材料的基礎(chǔ)實驗

橡膠材料不同于金屬材料僅需要幾個參數(shù)描述其材料特性，橡膠的行為復(fù)雜，材料機構(gòu)關(guān)系是非線性的，簡單依賴單向拉伸性能實驗并不能完全描述材料，包括壓縮及剪切在內(nèi)的所有力學(xué)行為，為使隔膜的有限元分析和結(jié)構(gòu)模擬接近工程實際，必須對橡膠材料進行包括拉伸、壓縮、剪切及體積實驗等在內(nèi)的全部基礎(chǔ)實驗。

2.橡膠隔膜流固耦合分析

2.1 隔膜腔隔膜工作原理的幾何結(jié)構(gòu)

(1)實際隔膜工作時兩側(cè)受到液體的壓力是不斷變化的，而前人研究將液體的作用力簡化為恒定不變的壓力直接施加在隔膜內(nèi)外表面上。

(2)實際隔膜工作時是三維結(jié)構(gòu)，而將模型簡化為二維軸對稱結(jié)構(gòu)與實際情況有一定的偏差。

(3)實際隔膜工作時的每一個周期內(nèi)均有料漿吸入和排出的過程，同時進料口和出料口均存在一定的喂料壓力和出料壓力，而前人研究無法體現(xiàn)出這種實際工況對于隔膜運動和變形以及受力的影響。

鑒于上述方法存在的不足和局限以及隔膜實際工作時所處的工作環(huán)境及工況，對隔膜腔整體模型進行簡化處理(如圖1)，考慮閥門的影響，以及進料壓力和出料壓力的作用，建立三維二分之一對稱結(jié)構(gòu)流固耦合模型，進行三維流固耦合分析。

2.2 隔膜流固耦合分析有限元模型的建立

建立三維二分之一對稱結(jié)構(gòu)隔膜腔整體流固耦合分析模型，流體部分模型和結(jié)構(gòu)部分模型分別建立;不考慮金屬導(dǎo)桿的作用;進出料處流體單元施加類似閥門功效的GAP特殊邊界條件，通過GAP的開閉來控制流體的吸入和排除過程;在進出料處分別施加進、出料壓力;將活塞位移引起液壓油的推進過程用活塞缸入口的速度代替;流體及結(jié)構(gòu)兩側(cè)對應(yīng)耦合界面處分別定義流固耦合特殊邊界條件.施加邊界條件的隔膜流固耦合分析有限元模型如圖2所示：

3.計算結(jié)果及分析

對整體模型進行流固耦合分析得出的一個周期不同時段的結(jié)果如圖3所示：

最終時刻隔膜的受力云圖如圖4所示：

對一個沖次不同時刻的分析結(jié)果進行提取、整理分別得出隔膜位移、應(yīng)力、吸入容積與時間函的關(guān)系.隨著時間的推進，隔膜位移、應(yīng)力及吸入體積均逐漸增大，同時當時間為0.65秒時隔膜應(yīng)力迅速增大，到0.95秒時隔膜應(yīng)力高達19.6MPa，應(yīng)力過大容易導(dǎo)致隔膜過早撕裂，因此隔膜運動至0.65秒為一個沖次結(jié)束的時刻，按照該過程設(shè)計隔膜后，進行現(xiàn)場工業(yè)運行記錄結(jié)果表明隔膜使用壽命大大提高，從而說明了流固耦合分析過程的正確性。

4.結(jié)論

通過對隔膜進行流固耦合分析的方法更符合實際情況，具體體現(xiàn)在以下方面：

(1)三維流固耦合分析方法反映了隔膜實際工作時兩側(cè)液體對隔膜的壓力隨時間變化的真實特性，而不考慮隔膜兩側(cè)流體作用力的二維隱式動力學(xué)分析方法將兩側(cè)液體的壓力簡化為恒定不變的壓力，這導(dǎo)致隔膜的受力情況與實際情況有較大的偏差。

(2)流固耦合分析方法是三維模型，比二維軸對稱結(jié)構(gòu)模型更接近實際情況。

(3)三維流固耦合分析方法建立了整體隔膜腔結(jié)構(gòu)的模型，考慮了進出料閥門開啟關(guān)閉以及進、出料壓力對于隔膜腔內(nèi)流場變化的影響，更符合實際情況.而二維軸對稱結(jié)構(gòu)分析方法無法體現(xiàn)出這種實際工況對于隔膜運動和變形以及受力的影響。

(4)依照三維流固耦合分析方法修改隔膜一個沖次作用時間后的現(xiàn)場工業(yè)測試結(jié)果表明該方法有效地延長了隔膜的使用壽命。

因此，隔膜腔隔膜三維流固耦合分析方法能充分反映隔膜運動過程中的變形、位移、受力情況，對于隔膜的形狀尺寸設(shè)計以及隔膜腔內(nèi)流體的流場分布影響隔膜腔腔型的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。 [科]

【參考文獻】

［１］李振河.隔膜泵及其管道的技術(shù)研究[D].沈陽:東北大學(xué)，2008.

［２］陶自強.往復(fù)式隔膜泵隔膜設(shè)計及行程控制系統(tǒng)的研究[D].沈陽:東北大學(xué)，2008.

［３］Lee B，Rivin E.Finite Element Analysis of load-deflection and characteristics of compressed rubber components for vibration control devices[J].Jounrnal of Mechanical Design，1996，11(8):328-335.

［４］Charlton D，Yang J.A review of methods to characterize rubber elastic behavior for use in finite element analysis[J].Rubber Chemical and technology，1994，67(3):481-503.

［５］ABAQUS Theory Manual[M].ABAQUS Inc，2003.

［６］Yeoh，O.Some forms of the Strain Energy Function for Rubber[J].Rubber Chemical and technology，1993，66(2):754-771.

［７］江波．城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)噪聲分析與減振降噪措施[J].鐵道建筑， 2004，10(2):62-65.

［８］劉杰．虛擬樣機技術(shù)在隔膜泵設(shè)計中的應(yīng)用[D].沈陽:東北大學(xué)，2005.