于立生 張立華

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司）

設(shè)計(jì)與計(jì)算

基于ANSYS 的隔膜室蓋強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

于立生*張立華

（中國有色（沈陽）泵業(yè)有限公司）

隔膜室蓋是大流量、高壓力隔膜泵液力端的關(guān)鍵部件。在隔膜室蓋的設(shè)計(jì)中，應(yīng)著重考慮隔膜室蓋所受內(nèi)腔壓力對(duì)局部應(yīng)力集中和變形的影響，以保證隔膜泵液力端運(yùn)行的安全性和高運(yùn)轉(zhuǎn)率。以某大型隔膜泵液力端隔膜室蓋為研究對(duì)象，利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行強(qiáng)度分析和校核，并提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)的措施。

隔膜泵 隔膜室蓋 強(qiáng)度分析 結(jié)構(gòu)改進(jìn) 應(yīng)力 變形 ANSYS

0 前言

大流量、高壓力隔膜泵作為兩相及多相流體輸送的核心設(shè)備，目前在有色金屬、長距離石油輸運(yùn)等諸多領(lǐng)域已得到日益廣泛的應(yīng)用[1]。在隔膜泵液力端中，其組成部件主要包括隔膜腔與隔膜室蓋、腔體及油缸、進(jìn)出料焊接管道和連接緊固件等。其中隔膜室蓋與隔膜腔通過連接螺柱與螺母裝配形成隔膜室裝配體。在實(shí)際運(yùn)行過程中受到內(nèi)腔的流體壓力和裝配螺栓力的協(xié)同作用，在隔膜室蓋局部圓角位置容易形成應(yīng)力集中。因此，在隔膜泵液力端設(shè)計(jì)過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，保證隔膜室蓋滿足設(shè)計(jì)要求，確保其使用的安全性與穩(wěn)定性，從而提高其連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)率。

隔膜室蓋是大流量、高壓力隔膜泵液力端的關(guān)鍵部件。本文通過設(shè)置合理的邊界條件，并利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)隔膜室蓋進(jìn)行強(qiáng)度分析與校核。同時(shí)，以計(jì)算分析結(jié)果為參考，提出改進(jìn)隔膜室蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可行性措施，從而實(shí)現(xiàn)隔膜室蓋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計(jì)的降本增效。本文研究的結(jié)論對(duì)大流量、高壓力隔膜泵中液力端隔膜室蓋的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有一定的參考意義。

1 隔膜室蓋強(qiáng)度分析

1.1 隔膜室蓋的幾何模型與邊界條件

隔膜室蓋所用材質(zhì)為ZG20Mn，其機(jī)械性能如下：σb=510 MPa，σs=295 MPa。本文利用大型三維建模軟件SolidWorks建立高壓隔膜泵液力端隔膜室蓋的三維幾何模型，如圖1所示。然后，利用ANSYS軟件對(duì)隔膜室蓋進(jìn)行強(qiáng)度分析，進(jìn)而對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

圖1 大型隔膜泵液力端隔膜室蓋三維模型

采用專業(yè)前處理軟件對(duì)模型進(jìn)行前處理。由于該模型為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為使計(jì)算流程簡化、計(jì)算方法合理并降低計(jì)算規(guī)模、提高求解效率，在前處理時(shí)只需對(duì)二分之一模型進(jìn)行分析[2]。在隔膜室蓋前處理中還簡化了對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小的細(xì)節(jié)，并在區(qū)域離散化過程中將幾何變形較大和應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，從而降低了計(jì)算誤差。單元形式選用適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體單元，單元類型采用Solid 45；節(jié)點(diǎn)共計(jì)53 881個(gè)，單元共43 366個(gè)。

依據(jù)隔膜室蓋在用戶使用現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際受力情況來確定有限元分析的邊界條件。具體內(nèi)容如下：根據(jù)隔膜泵液力端的實(shí)際工作壓力將其加載到隔膜室蓋內(nèi)表面；對(duì)各對(duì)稱面和端面定義方向約束 （如圖2所示）。

1.2 隔膜室蓋的強(qiáng)度分析與校核

經(jīng)ANSYS有限元分析，得到該隔膜泵液力端隔膜室蓋的應(yīng)力分布圖和變形分布圖如圖3和圖4所示。

2 隔膜室蓋的強(qiáng)度校核

查文獻(xiàn)[2]可知，隔膜室蓋靜強(qiáng)度計(jì)算式為：

圖2 隔膜室蓋邊界條件

圖3 隔膜室蓋有限元分析應(yīng)力分布云圖

圖4 隔膜室蓋有限元分析變形分布云圖

根據(jù) 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]中的相關(guān)內(nèi)容可知，類似于隔膜室蓋一類的承壓部件的靜強(qiáng)度許用安全系數(shù) [S]=3.3～4.8，隔膜室蓋靜強(qiáng)度安全系數(shù)S＞[S]min，故隔膜室蓋滿足靜強(qiáng)度要求。

此外，還需對(duì)隔膜室蓋疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。選取應(yīng)力集中系數(shù)K=1，尺寸系數(shù)ε=0.68，表面加工系數(shù)β=0.86。引入平均應(yīng)力影響系數(shù)的概念，其計(jì)算式如下：

計(jì)算平均應(yīng)力與應(yīng)力幅為：

計(jì)算得出疲勞安全系數(shù)為：

隔膜室蓋疲勞強(qiáng)度許用安全系數(shù) [Sa]=1.8～2.5，隔膜腔疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)Sa＞[Sa]min，故隔膜室蓋滿足疲勞強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)有限元計(jì)算可知，隔膜室蓋的最大應(yīng)力出現(xiàn)在上下對(duì)中螺紋孔處，最大變形位于隔膜室蓋的中心位置，故應(yīng)對(duì)隔膜室蓋中心部位進(jìn)行加厚，使變形量得到控制并防止料漿泄漏。

（2）從強(qiáng)度分析的結(jié)果來看，隔膜室蓋滿足理論分析的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求。

（3）從計(jì)算結(jié)果可知，隔膜室蓋螺栓孔附近為較大的應(yīng)力集中處，此處易產(chǎn)生裂紋并發(fā)生裂紋擴(kuò)展。

（4）防止裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的方法包括防止并控制隔膜室蓋鑄造缺陷、提高螺紋孔處表面加工精度和降低局部應(yīng)力集中。

[1]凌學(xué)勤.DGMB、SGMB系列往復(fù)式隔膜泵在氧化鋁工藝流程中的應(yīng)用 [J].有色設(shè)備，2003（2）：1-4.

[2]李大磊，趙玉奇，張志林.SolidWorks高級(jí)功能與工程應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

CNKI推出《中國高被引圖書年報(bào)》

最近，中國知網(wǎng)（CNKI）中國科學(xué)文獻(xiàn)計(jì)量評(píng)價(jià)研究中心推出了一套 《中國高被引圖書年報(bào)》，該報(bào)告基于中國大陸建國以來出版的422萬余本圖書被近3年國內(nèi)期刊、博碩、會(huì)議論文的引用頻次，分學(xué)科、分時(shí)段遴選高被引優(yōu)秀學(xué)術(shù)圖書予以發(fā)布。據(jù)研制方介紹，他們統(tǒng)計(jì)并分析了2013-2015年中國學(xué)術(shù)期刊813萬余篇、中國博碩士學(xué)位論文101萬余篇、中國重要會(huì)議論文39萬余篇，累計(jì)引文達(dá)1451萬條。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，422萬本圖書至少被引1次的圖書達(dá)72萬本。研制方根據(jù)中國圖書館分類法，將72萬本圖書劃分為105個(gè)學(xué)科，分1949-2009年和2010-2014年兩個(gè)時(shí)間段，分別遴選被引最高的TOP 10%圖書，共計(jì)選出70911本優(yōu)秀圖書收入 《中國高被引圖書年報(bào)》。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，這7萬本高被引優(yōu)秀圖書雖然只占全部圖書的1.68%，卻獲得67.4%的總被引頻次，可見這些圖書質(zhì)量上乘，在同類圖書中發(fā)揮了更加重要的作用。該報(bào)告還首次發(fā)布各學(xué)科 “學(xué)科h指數(shù)”排名前20的出版單位的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)客觀評(píng)價(jià)出版社的社會(huì)效益，特別是學(xué)術(shù)出版物的社會(huì)效益，具有重要的參考價(jià)值。該報(bào)告從圖書被引用的角度出發(fā)，評(píng)價(jià)圖書的學(xué)術(shù)影響力，彌補(bǔ)了以銷量和借閱等指標(biāo)無法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)學(xué)術(shù)圖書的缺憾，科學(xué)、客觀地評(píng)價(jià)了圖書、圖書作者以及出版單位對(duì)各學(xué)科發(fā)展的貢獻(xiàn)。

《中國高被引圖書年報(bào)》把建國以來出版圖書全部納入評(píng)價(jià)范圍屬國內(nèi)首創(chuàng)，是全面、客觀評(píng)價(jià)圖書學(xué)術(shù)影響力的工具，填補(bǔ)了目前圖書學(xué)術(shù)水平定量評(píng)價(jià)的空白，在幫助圖書館建設(shè)特色館藏和提高服務(wù)水平、幫助出版管理部門了解我國學(xué)術(shù)出版物現(xiàn)狀、幫助科研機(jī)構(gòu)科研管理、幫助讀者購買和閱讀圖書等方面，均具有較強(qiáng)的參考價(jià)值，也為出版社評(píng)估出版業(yè)績、決策再版圖書、策劃學(xué)科選題提供有用的信息。

《中國高被引圖書年報(bào)》由《中國學(xué)術(shù)期刊（光盤版）》電子雜志社有限公司出版。該產(chǎn)品的形式為光盤電子出版物，分為理學(xué)、工學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、人文科學(xué)和社會(huì)科學(xué)6個(gè)分卷，隨盤贈(zèng)送圖書。（舒評(píng)）

Strength Analysis and Structural Improvement Measures of Diaphragm Housing Cover Based on ANSYS

Yu LishengZhang Lihua

The diaphragm housing cover is a critical component in fluid end of the large flow and high pressure diaphragm pump.In the design of diaphragm housing cover,the influence of the inner pressure on the local stress concentration and deformation should be considered in order to ensure the safety and high operation rate of the fluid end operation of the diaphragm pump.Taking the diaphragm housing cover in fluid end of a large diaphragm pump as the object of study,the strength analysis and verification are carried out by using the finite element analysis software ANSYS,and the measures for improving the structure are put forward.

Diaphragm pump;Diaphragm housing cover;Strength analysis;Structure improvement;Stress;Deformation;ANSYS

TH 32

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.003

2016-12-20）

*于立生， 男，1980年生，工程師。沈陽市，110144。