基于ANSYS 的隔膜室蓋強度分析與結構改進措施

于立生 張立華

（中國有色（沈陽）泵業有限公司）

設計與計算

基于ANSYS 的隔膜室蓋強度分析與結構改進措施

于立生*張立華

（中國有色（沈陽）泵業有限公司）

隔膜室蓋是大流量、高壓力隔膜泵液力端的關鍵部件。在隔膜室蓋的設計中，應著重考慮隔膜室蓋所受內腔壓力對局部應力集中和變形的影響，以保證隔膜泵液力端運行的安全性和高運轉率。以某大型隔膜泵液力端隔膜室蓋為研究對象，利用有限元分析軟件ANSYS進行強度分析和校核，并提出結構改進的措施。

隔膜泵 隔膜室蓋 強度分析 結構改進 應力 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備，目前在有色金屬、長距離石油輸運等諸多領域已得到日益廣泛的應用[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。在實際運行過程中受到內腔的流體壓力和裝配螺栓力的協同作用，在隔膜室蓋局部圓角位置容易形成應力集中。因此，在隔膜泵液力端設計過程中應根據實際工況對其進行結構強度分析，保證隔膜室蓋滿足設計要求，確保其使用的安全性與穩定性，從而提高其連續運轉率。

隔膜室蓋是大流量、高壓力隔膜泵液力端的關鍵部件。本文通過設置合理的邊界條件，并利用有限元分析軟件ANSYS對隔膜室蓋進行強度分析與校核。同時，以計算分析結果為參考，提出改進隔膜室蓋結構強度的可行性措施，從而實現隔膜室蓋的結構優化和設計的降本增效。本文研究的結論對大流量、高壓力隔膜泵中液力端隔膜室蓋的設計與優化具有一定的參考意義。

1 隔膜室蓋強度分析

1.1 隔膜室蓋的幾何模型與邊界條件

隔膜室蓋所用材質為ZG20Mn，其機械性能如下：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軟件對隔膜室蓋進行強度分析，進而對其結構強度進行分析與評價。

圖1 大型隔膜泵液力端隔膜室蓋三維模型

采用專業前處理軟件對模型進行前處理。由于該模型為軸對稱結構，為使計算流程簡化、計算方法合理并降低計算規模、提高求解效率，在前處理時只需對二分之一模型進行分析[2]。在隔膜室蓋前處理中還簡化了對結構強度影響較小的細節，并在區域離散化過程中將幾何變形較大和應力集中區域進行網格加密處理，從而降低了計算誤差。單元形式選用適應性較強的四面體單元，單元類型采用Solid 45；節點共計53 881個，單元共43 366個。

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

1.2 隔膜室蓋的強度分析與校核

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

2 隔膜室蓋的強度校核

查文獻[2]可知，隔膜室蓋靜強度計算式為：

圖2 隔膜室蓋邊界條件

圖3 隔膜室蓋有限元分析應力分布云圖

圖4 隔膜室蓋有限元分析變形分布云圖

根據 《機械設計手冊》[3]中的相關內容可知，類似于隔膜室蓋一類的承壓部件的靜強度許用安全系數 [S]=3.3～4.8，隔膜室蓋靜強度安全系數S＞[S]min，故隔膜室蓋滿足靜強度要求。

此外，還需對隔膜室蓋疲勞強度進行校核。選取應力集中系數K=1，尺寸系數ε=0.68，表面加工系數β=0.86。引入平均應力影響系數的概念，其計算式如下：

計算平均應力與應力幅為：

計算得出疲勞安全系數為：

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

3 結論

（1）經有限元計算可知，隔膜室蓋的最大應力出現在上下對中螺紋孔處，最大變形位于隔膜室蓋的中心位置，故應對隔膜室蓋中心部位進行加厚，使變形量得到控制并防止料漿泄漏。

（2）從強度分析的結果來看，隔膜室蓋滿足理論分析的靜強度和疲勞強度要求。

（3）從計算結果可知，隔膜室蓋螺栓孔附近為較大的應力集中處，此處易產生裂紋并發生裂紋擴展。

（4）防止裂紋產生和擴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力集中。

[1]凌學勤.DGMB、SGMB系列往復式隔膜泵在氧化鋁工藝流程中的應用 [J].有色設備，2003（2）：1-4.

[2]李大磊，趙玉奇，張志林.SolidWorks高級功能與工程應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2009.

[3]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2010.

CNKI推出《中國高被引圖書年報》

最近，中國知網（CNKI）中國科學文獻計量評價研究中心推出了一套 《中國高被引圖書年報》，該報告基于中國大陸建國以來出版的422萬余本圖書被近3年國內期刊、博碩、會議論文的引用頻次，分學科、分時段遴選高被引優秀學術圖書予以發布。據研制方介紹，他們統計并分析了2013-2015年中國學術期刊813萬余篇、中國博碩士學位論文101萬余篇、中國重要會議論文39萬余篇，累計引文達1451萬條。根據統計數據，422萬本圖書至少被引1次的圖書達72萬本。研制方根據中國圖書館分類法，將72萬本圖書劃分為105個學科，分1949-2009年和2010-2014年兩個時間段，分別遴選被引最高的TOP 10%圖書，共計選出70911本優秀圖書收入 《中國高被引圖書年報》。統計數據顯示，這7萬本高被引優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，可見這些圖書質量上乘，在同類圖書中發揮了更加重要的作用。該報告還首次發布各學科 “學科h指數”排名前20的出版單位的評價指標，對客觀評價出版社的社會效益，特別是學術出版物的社會效益，具有重要的參考價值。該報告從圖書被引用的角度出發，評價圖書的學術影響力，彌補了以銷量和借閱等指標無法準確評價學術圖書的缺憾，科學、客觀地評價了圖書、圖書作者以及出版單位對各學科發展的貢獻。

《中國高被引圖書年報》把建國以來出版圖書全部納入評價范圍屬國內首創，是全面、客觀評價圖書學術影響力的工具，填補了目前圖書學術水平定量評價的空白，在幫助圖書館建設特色館藏和提高服務水平、幫助出版管理部門了解我國學術出版物現狀、幫助科研機構科研管理、幫助讀者購買和閱讀圖書等方面，均具有較強的參考價值，也為出版社評估出版業績、決策再版圖書、策劃學科選題提供有用的信息。

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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。