大型隔膜泵下箱體有限元分析方法的改進

張立華（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144）

大型隔膜泵下箱體有限元分析方法的改進

張立華
（中國有色（沈陽）泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144）

摘 要：下箱體是大型隔膜泵動力端的關鍵部件之一，也是動力端重量最大的關鍵件。在隔膜泵的設計過程中，應根據其實際所受載荷對下箱體進行靜強度分析，以確保下箱體在隔膜泵運行過程中安全性。傳統的下箱體分析是將軸承壓塊與下箱體進行共節點的靜強度分析計算，分析模型簡化過多，所得到的結果與真實情況可能存在偏差。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對其進行共節點與螺栓預緊力下的接觸非線性分析，對比兩種分析方法的差異，驗證傳統分析方法的準確性，確定最優的隔膜泵下箱體分析方法。

關鍵詞 ：隔膜泵；兩支撐下箱體；螺栓預緊力；接觸非線性

1 前言

大型隔膜泵作為固-液兩相介質輸送的核心設備，在冶金、石油化工和長距離管道輸送等領域得到了廣泛的應用。大型隔膜泵動力端主要由下箱體、曲軸、連桿和十字頭等關鍵部件所組成。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生破壞。因此，為保證大型隔膜泵在用戶現場正常、穩定、安全的運行，在下箱體的設計過程中應對其進行強度分析，以確保其強度滿足設計要求。傳統的箱體分析計算將軸承壓塊與下箱體簡化為共節點的方式分析，此種簡化結構更穩定，分析應力可能偏小，因此存在安全隱患。為了規避此安全隱患，下箱體分析采用更接近實際工況的螺栓預緊力下的接觸非線性分析。本文分別采用有限元軟件ANSYS 與ADINA對大型隔膜泵動力端下箱體（工況活塞力為130T）進行強度分析與校核，分別進行共節點與螺栓預緊力下的接觸非線性分析。對比兩種分析方法的差別，避免設計風險。

圖1兩支撐下箱體三維模型

2 隔膜泵下箱體靜強度分析

2.1 模型的建立與邊界條件

針對130T下箱體分別采用軟件ANSYS 與ADINA進行共節點與螺栓預緊力下的接觸非線性分析。下箱體的三維模型如圖1所示。采用共節點分析方法的網格劃分與邊界條件添加如圖2 所示。根據三缸單作用兩支撐箱體受力關系，分別在兩支撐上施加余弦力，大小分別為173t和87t。

圖2 下箱體網格劃分與邊界條件

改進分析方法，采用螺栓預緊力下的接觸非線性分析的網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，施加預緊力，預緊力大小為1473260N。導板座與下箱體綁定接觸。根據三缸單作用兩支撐箱體受力關系，分別在兩支撐上施加余弦力，大小分別為173t和87t。

圖3下箱體網格劃分與邊界條件

2.2 兩種結構的結果分析

通過兩種分析方法得出的分析結果如圖4所示。圖4為共節點分析方法的位移云圖，圖5為共節點分析方法的應力云圖，下箱體最大應力位于軸承支撐上部與殼單元連接處，最大應力為86.99MPa，下箱體最大位移為0.629mm。

圖4下箱體位移云圖

圖5下箱體應力云圖

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

圖6 下箱體位移云圖

圖7 下箱體應力云圖

兩種分析方法的最大應力和安全系數匯總見表1。提取兩種分析方法的各方向最大位移匯總見表2。

結語

通過以上分析結果可以得出，采用螺栓預緊力下的接觸非線性分析得出的最大應力比采用共節點得出的結果較大，而各方向的位移也均比共節點分析方法的結果要大。從而可以得出采用傳統的共節點分析方法由于簡化過多，得到的分析結果較小，安全系數較高，以此來評價設計結構有可能存在安全隱患。因此，為了規避設計風險，應采用螺栓預緊力下的接觸非線性分析進行隔膜泵下箱體的有限元分析計算。

表1 兩種分析方法結果匯總

表2 各方向最大位移mm

參考文獻

[1]張朝輝. ANSYS11.0結構分析工程應用實例解析[D].北京： 機械工業出版社，2008.

[2]馬野，袁志丹，曹金鳳. ADINA有限元經典實例分析[M].北京：機械工業出版社，2011.

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

[4]成大先.機械設計手冊[D].北京：化學工業出版社，2007.

中圖分類號：TH323

文獻標識碼：A

作者簡介：張立華，男，1981年生，本科，中國有色（沈陽）泵業有限公司設計研究所室主任，工程師。