周朝暉，李廣義，王奕鑌

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

基于 Ansys 的自吸離心泵主要結(jié)構(gòu)及裝配體的模態(tài)分析

周朝暉，李廣義，王奕鑌

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

自吸離心泵的振動(dòng)噪聲由多種因素造成，其中泵的結(jié)構(gòu)和剛度是主要因素。通過(guò)對(duì)自吸離心泵的主要結(jié)構(gòu)及裝配體進(jìn)行模態(tài)分析，可以獲得該泵自身的固有頻率和模態(tài)振型，從而找到其結(jié)構(gòu)及裝配體的薄弱部位，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整打下基礎(chǔ)。以 UG 建立的船用某型自吸離心泵三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)，通過(guò) HyperMesh 和 Ansys Mechanical APDL，完成了該泵從網(wǎng)格劃分到計(jì)算模態(tài)分析全過(guò)程，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。計(jì)算和分析結(jié)果表明，該泵結(jié)構(gòu)上存在薄弱之處，必須進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化。

自吸離心泵；Ansys；模態(tài)分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引 言

自吸離心泵主要通過(guò)改變泵體結(jié)構(gòu)使其具有抽真空能力（自吸能力），比如氣液混合式自吸泵。根據(jù)液體和氣體在泵中混合位置的不同，氣液混合式自吸泵分為內(nèi)混式和外混式[1–2]。本文所研究的對(duì)象為船用某型外混式自吸泵。

在借助 UG 建立該泵三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，通過(guò) HyperMesh 進(jìn)行模型主要結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分和分析條件設(shè)置；利用 Ansys Mechanical APDL 對(duì)模型進(jìn)行求解設(shè)置，完成模態(tài)計(jì)算并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 理論基礎(chǔ)

在動(dòng)力學(xué)分析中，對(duì)于一個(gè)無(wú)阻尼自由振動(dòng)自由度為的線性系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)微分方程為[3]：

式中：M 和K 分別為系統(tǒng)的質(zhì)量和剛度矩陣；ü 和 u為系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的加速度和位移向量。

式（1）的解可表示為：

在自由振動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的振幅 φ 不全為0，由此可得[4]：

因?yàn)?M 和 K 都是 n 階方陣，所以式（4）是關(guān)于ω2的 n 次實(shí)系數(shù)方程?？梢詮闹薪獬?n 個(gè)實(shí)根即特征值。把任一代回式（3），可解出與其相對(duì)應(yīng)的向量即特征向量。其中特征值的平方根分別為系統(tǒng)的 1 階、2 階、…、n 階固有頻率，與之對(duì)應(yīng)的分別是系統(tǒng)的各階固有振型。

2 模型有限元前處理

2.1 模型簡(jiǎn)化

自吸泵模型主要由泵體、葉輪、泵蓋、托架和軸構(gòu)成。泵體等零部件上存在較多的螺紋孔和小倒角等結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)對(duì)模態(tài)分析結(jié)果影響較小，但在網(wǎng)格劃分時(shí)卻需要許多單元來(lái)模擬，增加運(yùn)算量和計(jì)算時(shí)間[5]。因此需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，刪除模型中的螺紋孔（M ＜ 15），通孔（Φ ＜ 15 mm），倒角（尺寸 ＜ 6 mm）、圓角（R ＜ 6 mm）等微小結(jié)構(gòu)。圖 1 為精簡(jiǎn)前后的模型。

圖1 模型簡(jiǎn)化前后Fig.1 The model before and after simplification

2.2 模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到泵蓋、托架和軸屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可利用其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性經(jīng) reflect 命令完成六面體網(wǎng)格的劃分。對(duì)于像泵體和葉輪這樣具有復(fù)雜曲面的部件，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。其中泵體網(wǎng)格尺寸為 5 mm，其余結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸為 3 mm。

2.3 條件與約束設(shè)置

設(shè)置模型接觸并添加必要的約束，模型中主要的裝配形式均為法蘭盤螺栓裝配。因此在 Contact Manger中設(shè)置接觸對(duì)為 TARGET170 和 CONTA173。對(duì)于有約束的結(jié)構(gòu)，施加 dof1，dof2 及 dof3 約束。

表1 模型主要結(jié)構(gòu)材料屬性Tab.1 Model main structural material properties

3 計(jì)算模態(tài)分析

3.1 主要零部件模態(tài)分析

將完成的有限元模型導(dǎo)入至 Ansys Mechanical APDL，設(shè)置分析類型（Modal）、模態(tài)提取方法[6]（Block Lanczos）、模態(tài)提取階數(shù)（自由模態(tài)為 16階、約束模態(tài)為 10 階）等參數(shù)，進(jìn)行分析計(jì)算。通過(guò)計(jì)算，得到主要零部件前 8 階的模態(tài)頻率數(shù)據(jù)，如表 2 所示。

表2 主要零部件前 8 階模態(tài)頻率（f/Hz）Tab.2 The first 8 orders frequencies of the main components（f/Hz）

該泵的電機(jī)型號(hào)為 Y132S2-2H，額定轉(zhuǎn)速為 2 950 r/min，激勵(lì)頻率為 2 950 ÷ 60 = 49.17 Hz；葉片通過(guò)頻率為49.17 × 6 = 295 Hz，6 為泵的葉片數(shù)。在分析計(jì)算時(shí)，要特別注意以上 2 個(gè)頻率附近的振動(dòng)情況[7]。

表 2 數(shù)據(jù)表明：

1）除泵體的約束狀態(tài)之外，其他零部件在自由和約束狀態(tài)下均有較高的模態(tài)頻率（在 900 Hz 之上），遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的激振頻率，可見(jiàn)它們的剛度較好。

2）作為主體結(jié)構(gòu)的泵體分為 2 種情況：一是自由狀態(tài)下的模態(tài)頻率均在 1 200 Hz 以上；二是約束狀態(tài)下的模態(tài)頻率遠(yuǎn)低于自由狀態(tài)，前 6 階均在 1 500 Hz以下。說(shuō)明泵體在實(shí)際工作中，由于約束的影響，動(dòng)態(tài)性能有所降低，發(fā)生共振的可能性較高。因此有必要對(duì)泵體結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的分析。泵體前 4 階模態(tài)振型圖如圖 2 所示。

圖2 泵體前 4 階模態(tài)振型圖Fig.2 The first 4 orders vibration shape of the pump

圖 2 表明：泵體以上半部分的擺動(dòng)為主，伴隨著部分?jǐn)D壓和扭轉(zhuǎn)變形。其中 1 階和 2 階模態(tài)頻率較低，且與葉片通過(guò)頻率較為接近；3 階時(shí)，扭轉(zhuǎn)變形更為明顯，最大變形出現(xiàn)在泵入口及泵體頂角附近，屬于異常變形，說(shuō)明該處結(jié)構(gòu)最為薄弱，這種變形對(duì)入口管路影響較大；4 階時(shí)，除泵體扭轉(zhuǎn)變形之外，泵體中間部分還發(fā)生了擠壓變形。

3.2 自吸泵裝配體模態(tài)分析

為了進(jìn)一步掌握泵整體的振動(dòng)和變形情況，將泵的各零部件裝配后，形成裝配體，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行中的約束狀態(tài)來(lái)分析裝配體的模態(tài)信息。通過(guò)計(jì)算，得到裝配體前 8 階約束模態(tài)頻率和前 4 階振型圖，分別如表 3 和圖 3 所示。

對(duì)比分析表 2 和表 3 發(fā)現(xiàn)：裝配體的模態(tài)頻率要明顯大于約束狀態(tài)下泵體的模態(tài)頻率，可見(jiàn)裝配體的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于約束狀態(tài)下的泵體，說(shuō)明該泵的裝配工藝較為合理。1階和2階模態(tài)頻率主要集中在 500 ～ 600 Hz之間，振型以上半部分的擺動(dòng)為主，與泵體的前 2 階約束模態(tài)基本相同。3 階和 4 階模態(tài)振型顯示裝配體整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在泵入口以及與之相鄰的頂角處，但此時(shí)的模態(tài)頻率與激振頻率相差較大，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)共振。

表3 裝配體前 8 階約束模態(tài)頻率Tab.3 The first 8 orders constraint frequencies of the assembly

圖3 裝配體前 4 階模態(tài)振型圖Fig.3 The first 4 orders vibration shape of the assembly

4 結(jié) 語(yǔ)

1）除泵體約束狀態(tài)以外，自吸泵的主要零部件均有較高的模態(tài)頻率，明顯高于電機(jī)的激振頻率及葉片通過(guò)頻率，說(shuō)明零部件具有較高的剛度。

2）在實(shí)際工作狀態(tài)下，受約束的影響，泵體的動(dòng)態(tài)性能有所降低，發(fā)生共振的可能性較高。泵體在入口、頂角和蝸殼出口附近存在異常變形，有必要對(duì)其進(jìn)行加固。

3）裝配體的模態(tài)頻率要明顯大于約束狀態(tài)下泵體的模態(tài)頻率，因此，在約束狀態(tài)下，裝配體的動(dòng)態(tài)性能要明顯優(yōu)于單獨(dú)的泵體，說(shuō)明該泵的裝配工藝較為合理，可以改善泵的動(dòng)態(tài)性能。

4）裝配體的振型以泵體的變形為主，并且與約束狀態(tài)下的泵體振型相近。泵體結(jié)構(gòu)中存在薄弱之處，有必要根據(jù)振型對(duì)該泵結(jié)構(gòu)做針對(duì)性優(yōu)化。

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Modal analysis of the main structure and assembly of self-priming centrifugal pump based on Ansys

ZHOU Zhao-hui, LI Guang-yi, WANG Yi-bin
(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The vibration and noise of a self-priming centrifugal pump is caused by many factors, the structure and rigidity of the pump are the two main factors. By the modal analysis of the main structure and assembly of self-priming centrifugal pump we can get its own natural frequencies and mode shapes, and find the weaknesses of the structure and assembly, lay the foundation for structural optimization and adjustment. Based on the 3D model of a marine self-priming centrifugal pump established by UG, this paper completed the whole process from mesh to modal analysis by the software of HyperMesh and Ansys Mechanical APDL, and then analyzed the results. Calculation and analysis results show that there are vulnerabilities in the pump, and measures must be taken to optimize the structure targeted.

self-priming centrifugal pump；Ansys；modal analysis；structure optimization

TH317

A

1672 – 7619(2016)11 – 0084 – 03

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.017

2016 – 03 – 02；

2016 – 05 – 13

周朝暉(1963 – )，男，副教授，主要從事離心泵、噴水推進(jìn)等方面的研究。