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泵殼作為水泵最主要的承壓構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)強度必須達到承受各種工況下的應(yīng)力而不被破壞的要求，同時盡可能地追求造型美觀和材料最省的效果。因此，通常需要在設(shè)計階段進行泵殼強度的有限元分析校核以驗證設(shè)計的有效性。江蘇大學(xué)關(guān)醒凡提出了殼體壁厚的近似估算公式，并假定最大應(yīng)力發(fā)生在尺寸最大的軸面內(nèi)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用魯吉斯方法對折算應(yīng)力和安全系數(shù)進行了校核；福州大學(xué)液壓件廠郭善新針對齒輪泵殼結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，基于內(nèi)力分析和結(jié)構(gòu)系數(shù)修正方法，從力學(xué)角度推導(dǎo)出不同強度理論下殼體承壓與強度的關(guān)系式，并通過靜壓試驗驗證了計算結(jié)果的有效性。
但是實際設(shè)計中由于泵殼的幾何形狀十分復(fù)雜，上述傳統(tǒng)的手工估算方法的計算精度和信息豐富程度較為有限，因此采用計算機仿真手段進行三維結(jié)構(gòu)仿真分析成為了當前的研究熱點。西南石油大學(xué)莫麗等人應(yīng)用ABAQUS軟件對某三缸壓裂泵殼體進行動態(tài)應(yīng)力分析，指出了結(jié)構(gòu)的薄弱位置并給出了加強建議；清華大學(xué)范誼章和德國KSB泵閥集團沙玉俊等人應(yīng)用ANSYS Mechanical軟件針對鍋爐循環(huán)泵進行了應(yīng)力安全分析，參照ASME標準和疲勞計算應(yīng)用準則，計算了不同泵殼設(shè)計方案下的靜態(tài)強度使用系數(shù)和低循環(huán)疲勞使用系數(shù)，提出了泵殼改型方案，有效地降低了生成成本；湖南湘電長沙水泵有限公司康清權(quán)應(yīng)用COSMOS WORKS軟件進行了水平中開多級泵殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，校核了三種不同的參考經(jīng)驗公式的適用性，根據(jù)分析結(jié)果針對性地采取了殼體增設(shè)加強筋并提高受力螺栓力學(xué)性能等級的設(shè)計方案，并通過水壓試驗驗證了計算結(jié)果的有效性；濟南大學(xué)里宏偉等，應(yīng)用ANSYS軟件模擬齒輪泵殼體在真實工況下的應(yīng)力和變形情況，找到了殼體的應(yīng)力主要集中區(qū)和變形較大的位置，在保證殼體強度的前提下提出了減少重量的設(shè)計方案。然而，大多數(shù)文獻中，泵殼受到的載荷主要來源于流道內(nèi)的水壓，工況也多為常溫工況，極少有文獻報道輸送熱水介質(zhì)等高溫工況時熱載荷對泵殼強度的影響。本文以用于常溫介質(zhì)輸送的某型號雙吸中開離心泵為研究對象，針對該型號泵輸送熱水介質(zhì)這一新的應(yīng)用需求，使用ANSYS Workbench軟件平臺，同時考察了熱應(yīng)力和水壓共同影響下的泵殼強度，并在兼顧原有模具的結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上提出了針對原泵的優(yōu)化設(shè)計方案，對熱水泵的殼體強度設(shè)計校核具有一定的參考意義。
本文研究的雙吸中開離心泵，原泵為常溫條件下的介質(zhì)輸送而設(shè)計，其主要尺寸參數(shù)和性能參數(shù)如表所示。三維結(jié)構(gòu)如圖所示，圖中的泵殼主要分為泵體和泵蓋兩部分，泵殼的材質(zhì)為304不銹鋼，制造工藝為鑄造。由于客戶有新的需求，輸送介質(zhì)溫度要提高至30℃-130℃，故需要考慮高溫帶來的熱膨脹影響，為此需對設(shè)計方案進行強度分析。泵殼受到的外載荷主要來源于水體壓力以及高溫引起的熱膨脹兩部分，下面分別進行分析。為了研究的簡便，近似認為泵殼內(nèi)壁各處受到大小相等的水壓作用。參照GB 5656-2008《離心泵技術(shù)條件(II類)》因，均布水壓載荷的大小由式幼確定：結(jié)構(gòu)分析中溫度本身引起的熱應(yīng)變并不產(chǎn)生應(yīng)力，只有當外接約束、溫度梯度或材料熱膨脹系數(shù)不匹配時才產(chǎn)生應(yīng)力。本文熱載荷以溫度的形式加載在泵殼實體上，近似假定泵殼各處的溫度均勻升高故引起殼體材料的熱膨脹，由于基座的約束導(dǎo)致了熱應(yīng)變。三維結(jié)構(gòu)中xyz三個方向熱應(yīng)變的計算。
為了模型建立、網(wǎng)格劃分和有限元計算的方便，對模型進行如下簡化：近似認為材料處于線彈性范圍內(nèi)，其彈性模量不隨應(yīng)變而改變；考慮到螺栓法蘭連接方式基本可使得泵體和泵蓋二者之間的法蘭盤形成足夠緊密的裝配體，故忽略中開面連接螺栓的存在，將泵蓋和泵體設(shè)置為“綁定”Bonded的接觸關(guān)系；由于泵殼具有對稱的特點，故僅取二分之一模型進行計算并設(shè)置對稱面邊界條件。泵殼材料為304不銹鋼，計算采用的材料屬性及判定采取的力學(xué)性能參數(shù)參見表20使用ANSYS Workbench Meshing劃分四面體網(wǎng)格，有限元網(wǎng)格模型如圖所示，單元和節(jié)點數(shù)目以及網(wǎng)格質(zhì)量統(tǒng)計如表所示。邊界條件的設(shè)定在ANSYS Workbench Mechanical軟件中完成，共分為以下四類邊界條件。(1)對稱邊界條件。在二分之一模型的對稱面上設(shè)置對稱邊界條件，并指定對稱面的法向方向。(2)水壓載荷。根據(jù)計算結(jié)果，在泵殼內(nèi)壁表面均勻加載4.0MPa的壓力。(3)熱載荷。根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)，設(shè)置參考溫度為30℃，并選定所有實體加載130℃溫度值。(4)固定約束。對支腳的安裝孔位置進行固定約束，即同時約束xyz三個方向的移動和轉(zhuǎn)動。
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