1.1课题研究目的及意义

离心泵叶轮又称为工作轮或转轮，是转换能量的部件。它的几何形状、尺寸对离心泵的性能有着决定件的影响,是通过水力计算来确定的^[1]。

离心泵泵轴是泵转子部件中最主要的零件之一，主要作用是传递功率，同时还起到承受弯曲、扭转、疲劳等复合应力的作用。同轴类零件在其他行业的机械设备中的地位类似，泵轴是一个重要的、易出问题、核心的零部件^[2]。由于泵结构的特殊性,要考虑到密封性能、体积尺寸、材料特点、经济效益等方面的因素,使得轴类零件在工程实际中成为常常易出问题的部件。在泵内,轴类零件的受力情況相对复杂,不仅有弯矩扭矩，在一些情况下,还有相当大的轴向力。在泵的工作过程中,泵轴受到各种力的影响，它的强度、振动状况等直接关系到泵的运行稳定性和可靠性,基至决定了整个泵的工作状况和使用寿命^[3]。

本项目主要通过ANSYS软件分析研究离心泵叶轮轴在动态作用下的疲劳特性。

1.2国内外研究现状

1.2.1离心泵的国内外研究现状

我国工业起步较晚，离心泵的发展从50年代到目前为止主要经历了三个阶段:联合设计产品、引进产品、自主研发产品。这一时期的泵产品大都是引进产品加以改造，大部分产品都是通用化的，所以标准化程度不高。继而，国内研究人员深入研究离心泵内部流场规律，从而得到性能更好的泵产品^[4]。尤其是在1952年吴仲华阎教授发表了叶轮机械的两类流面通用理论，对离心泵的内部数值模拟产生了巨大的推动作用，随后，这一理论得到完善和发展，继而出现了准三维和全三维势流计算方法。在它的影响下，一些新的分析方法也都运用在离心泵内部数值分析上^[5]。21世纪，研究人员使用专业的商用软件解决了湍流模型和编程的技术难题，通过对其内部运动规律的不断仿真，得到了更加准确的性能预测。2002年江苏大学赵斌娟等人总结了使用商用软件对叶轮进行优化分析时的不足，需要通过不同的优化渠道，和网格生成技术使叶轮结构更加合理。2007年任涛、梁伍科等人首次将叶轮两叶片之间的流场作为研究对象，通过CFD技术的优化，使叶轮结构更加合理，也证明了这一方法的实用性^[6]。

现今，国外在探究和分析离心泵性能时大都采用CFD软件。CFD 在最近20 年中得到飞速的发展, 除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外, 还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制, 由于问题的复杂性, 既无法作分析解, 也因费用昂贵而无力进行实验确定, 而CFD 的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点^[7]。例如FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件，在美国的市场占有率为60%。但凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题^[8]。

1.2.2离心泵泵轴的国内外研究现状

传统的泵轴强度校核方法有两种：一是试验研究，二是分析计算。鉴于第一种方法（试验研究）存在需要较高的研究费用和耗费较长的时间等多方面的缺点，因此，利用分析计算的方法研究轴的强度早期就被人们予以重视。 有限单元法开始发展时期大约是六七十年代，它是一种非常具有实用性和强大性的数值分析方法，有限单元法的使用令很多复杂而繁琐的工程分析问题得到有效的解决，不仅如此，随着前、后处理技术的发展，大型有限元分析软件逐渐趋于商业化，这样提高了有限单元法和有限元分析软件的计算效率，使其在实际应用领域中更加广泛。对于泵轴这样承受载荷状况复杂,可算性要求高的零部件，运用有限元方法进行分析具有明显的优越性^[9]。