張立華（中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110144）

大型隔膜泵下箱體有限元分析方法的改進(jìn)

張立華
（中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110144）

摘 要：下箱體是大型隔膜泵動(dòng)力端的關(guān)鍵部件之一，也是動(dòng)力端重量最大的關(guān)鍵件。在隔膜泵的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)其實(shí)際所受載荷對(duì)下箱體進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，以確保下箱體在隔膜泵運(yùn)行過(guò)程中安全性。傳統(tǒng)的下箱體分析是將軸承壓塊與下箱體進(jìn)行共節(jié)點(diǎn)的靜強(qiáng)度分析計(jì)算，分析模型簡(jiǎn)化過(guò)多，所得到的結(jié)果與真實(shí)情況可能存在偏差。因此，本文采用兩支撐隔膜泵下箱體為例，分別基于有限元軟件ANSYS與ADINA對(duì)其進(jìn)行共節(jié)點(diǎn)與螺栓預(yù)緊力下的接觸非線(xiàn)性分析，對(duì)比兩種分析方法的差異，驗(yàn)證傳統(tǒng)分析方法的準(zhǔn)確性，確定最優(yōu)的隔膜泵下箱體分析方法。

關(guān)鍵詞 ：隔膜泵；兩支撐下箱體；螺栓預(yù)緊力；接觸非線(xiàn)性

1 前言

大型隔膜泵作為固-液兩相介質(zhì)輸送的核心設(shè)備，在冶金、石油化工和長(zhǎng)距離管道輸送等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。大型隔膜泵動(dòng)力端主要由下箱體、曲軸、連桿和十字頭等關(guān)鍵部件所組成。其中，下箱體的軸承支撐由于受到大噸位曲軸反作用力，使其在下箱體板材的局部焊接位置容易發(fā)生破壞。因此，為保證大型隔膜泵在用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)正常、穩(wěn)定、安全的運(yùn)行，在下箱體的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，以確保其強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。傳統(tǒng)的箱體分析計(jì)算將軸承壓塊與下箱體簡(jiǎn)化為共節(jié)點(diǎn)的方式分析，此種簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，分析應(yīng)力可能偏小，因此存在安全隱患。為了規(guī)避此安全隱患，下箱體分析采用更接近實(shí)際工況的螺栓預(yù)緊力下的接觸非線(xiàn)性分析。本文分別采用有限元軟件ANSYS 與ADINA對(duì)大型隔膜泵動(dòng)力端下箱體（工況活塞力為130T）進(jìn)行強(qiáng)度分析與校核，分別進(jìn)行共節(jié)點(diǎn)與螺栓預(yù)緊力下的接觸非線(xiàn)性分析。對(duì)比兩種分析方法的差別，避免設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

圖1兩支撐下箱體三維模型

2 隔膜泵下箱體靜強(qiáng)度分析

2.1 模型的建立與邊界條件

針對(duì)130T下箱體分別采用軟件ANSYS 與ADINA進(jìn)行共節(jié)點(diǎn)與螺栓預(yù)緊力下的接觸非線(xiàn)性分析。下箱體的三維模型如圖1所示。采用共節(jié)點(diǎn)分析方法的網(wǎng)格劃分與邊界條件添加如圖2 所示。根據(jù)三缸單作用兩支撐箱體受力關(guān)系，分別在兩支撐上施加余弦力，大小分別為173t和87t。

圖2 下箱體網(wǎng)格劃分與邊界條件

改進(jìn)分析方法，采用螺栓預(yù)緊力下的接觸非線(xiàn)性分析的網(wǎng)格劃分與邊界條件添加如圖3所示。軸承壓塊與支撐之間建立滑移接觸，將壓塊上平面約束豎直方向，在支撐上部擰緊螺栓孔建立螺栓，施加預(yù)緊力，預(yù)緊力大小為1473260N。導(dǎo)板座與下箱體綁定接觸。根據(jù)三缸單作用兩支撐箱體受力關(guān)系，分別在兩支撐上施加余弦力，大小分別為173t和87t。

圖3下箱體網(wǎng)格劃分與邊界條件

2.2 兩種結(jié)構(gòu)的結(jié)果分析

通過(guò)兩種分析方法得出的分析結(jié)果如圖4所示。圖4為共節(jié)點(diǎn)分析方法的位移云圖，圖5為共節(jié)點(diǎn)分析方法的應(yīng)力云圖，下箱體最大應(yīng)力位于軸承支撐上部與殼單元連接處，最大應(yīng)力為86.99MPa，下箱體最大位移為0.629mm。

圖4下箱體位移云圖

圖5下箱體應(yīng)力云圖

圖6和圖7為螺栓預(yù)緊力下的接觸非線(xiàn)性分析的位移云圖和應(yīng)力云圖，改進(jìn)分析算法后，下箱體最大應(yīng)力位于軸承支撐上部與殼單元連接處，最大應(yīng)力為93.44MPa，下箱體最大位移為0.796mm。

圖6 下箱體位移云圖

圖7 下箱體應(yīng)力云圖

兩種分析方法的最大應(yīng)力和安全系數(shù)匯總見(jiàn)表1。提取兩種分析方法的各方向最大位移匯總見(jiàn)表2。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析結(jié)果可以得出，采用螺栓預(yù)緊力下的接觸非線(xiàn)性分析得出的最大應(yīng)力比采用共節(jié)點(diǎn)得出的結(jié)果較大，而各方向的位移也均比共節(jié)點(diǎn)分析方法的結(jié)果要大。從而可以得出采用傳統(tǒng)的共節(jié)點(diǎn)分析方法由于簡(jiǎn)化過(guò)多，得到的分析結(jié)果較小，安全系數(shù)較高，以此來(lái)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有可能存在安全隱患。因此，為了規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采用螺栓預(yù)緊力下的接觸非線(xiàn)性分析進(jìn)行隔膜泵下箱體的有限元分析計(jì)算。

表1 兩種分析方法結(jié)果匯總

表2 各方向最大位移mm

參考文獻(xiàn)

[1]張朝輝. ANSYS11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析[D].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]馬野，袁志丹，曹金鳳. ADINA有限元經(jīng)典實(shí)例分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]ADINA Theory and Modeling Guide Volume I： ADINA Solid & Structures Model Definition， June 2010， ADINA R&D， Inc.

[4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[D].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

中圖分類(lèi)號(hào)：TH323

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張立華，男，1981年生，本科，中國(guó)有色（沈陽(yáng)）泵業(yè)有限公司設(shè)計(jì)研究所室主任，工程師。