有限元分析軟件在大型隔膜泵設計研發中的應用

王連丹，陳 揚，2

(1.中國有色(沈陽)泵業有限公司，遼寧 沈陽 110144；2.沈陽工業大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870）

大型隔膜泵作為固-液兩相介質輸送的關鍵設備，目前已廣泛應用于冶金、礦山、石油化工等諸多領域。在大型隔膜泵的設計過程中，設計人員應當充分考慮產品的結構強度、制造成本、加工工藝可行性以及裝配精度等多方面因素。因此采用有限元分析軟件對隔膜泵關鍵件進行強度校核具有重要意義[1]。此外，在隔膜泵動力端和液力端關鍵件結構設計過程中引入有限元分析軟件還兼具有事故成因追溯、挽回機加工失誤的作用。目前，隔膜泵動力端和液力端關鍵件設計過程中常用的有限元分析軟件主要包括：Simulation、ANSYS、ADINA等，使用范圍涉及到結構強度分析計算、裝配件動力學分析計算以及流固耦合分析計算[2]。

1 Simulation在隔膜泵關鍵件設計中的應用

Simulation作為三維設計軟件SolidWorks的一項模塊化功能，已經在眾多行業的設計研發領域得到了廣泛的應用。其優點是界面友好、操作簡便易上手，且內置于三維繪圖軟件中更方便工程技術人員的直接調用。圖1是采用Simulation對隔膜泵液力端隔膜腔進行壓力為8MPa的邊界條件圖和靜強度分析結果[3]。可知該件在這一工況下的最大應力值為63.7MPa，最大應力出現在內腔圓角處。

圖1 利用Simulation分析隔膜泵液力端隔膜腔的邊界條件圖與結果圖

2 ANSYS在隔膜泵關鍵件設計中的應用

ANSYS作為經典有限元分析軟件，現已廣泛應用于多個行業的設計研發過程中。該軟件的優勢在于應用范圍廣、可操作性強、前處理、求解器與后處理過程均集成于軟件內部。但該軟件操作環境為全英文界面，且對計算機配置要求較高，因此目前僅在科研院所、大型國有企業、高等院校以及部分高新技術企業擁有正版版權。圖2是采用ANSYS軟件對隔膜泵動力端連桿進行強度分析的邊界條件圖和強度分析結果。可知該件在這一工況下的最大應力值為63MPa，最大應力出現在連桿大端最大余弦力位置。

3 ADINA在隔膜泵關鍵件設計中的應用

圖2 利用ANSYS分析隔膜泵動力端連桿的邊界條件圖與結果圖

ADINA軟件的主要應用領域在于非線性（幾何非線性、材料非線性和接觸非線性）計算。軟件中主要包含四種模塊，分別為結構分析、流體分析、流固耦合分析以及熱機耦合分析。在隔膜泵設計過程中，凡涉及橡膠件大變形應力應變分析以及流體及流體—結構件雙向耦合場分析均可利用該軟件進行分析。圖3是采用ADINA軟件對隔膜泵液力端進行流固耦合分析的結果示意圖。

圖3 利用ADINA對隔膜泵液力端進行流固耦合分析的結果圖

4 結論

本文通過對幾種應用于機械設計領域的有限元分析軟件進行舉例分析，從軟件自身特點的角度闡述了軟件的適用范圍和使用條件。由于隔膜泵產品涉及流體分析和強度分析等多個場合，因此需要結合產品關鍵件使用的具體工況對號入座、各取所長。本文所述有限元分析軟件的應用也在一定程度上為同類機械產品的設計和研發提供了參考。