摘 要

泵在工作过程中它的泵轴受到了各种各样的力的影响，离心泵工作是否稳定、是否可靠都受到泵的状态的影响，可以毫不夸张地说，泵轴决定了离心泵的使用寿命长短和工作状态的好坏。

本项目在ANSYS中建模IS100-65-315离心泵流体域CFD计算模型和叶轮泵轴的模型,分析IS100-65-315离心泵的稳态和瞬态分析过程的泵轴的受力状态,并进一步研究泵轴的疲劳特性。

模拟结果表明:IS100-65-315离心泵泵轴的疲劳寿命为1*e6次循环。

关键词：离心泵 泵轴 疲劳 ANSYS CFX Workbench

Abstract

During the working process of the pump, the pump shaft is affected by various forces. Its strength and vibration state are directly related to the stability and reliability of the pump, and even determine the service life and working condition of the whole pump.

In this project, the CFD model of the IS100-65-315 centrifugal pump fluid domain and the model of the impeller pump shaft are modeled in ANSYS, and the stress state of the pump shaft in the steady-state and transient analysis of the IS100-65-315 centrifugal pump is analyzed, and the fatigue characteristics of the pump shaft are further studied.

The simulation results show that the fatigue life of IS100-65-315 centrifugal pump shaft is 1*e6 times.

Key Words：:pump spindle fatigue ANSYS CFX Workbench

目 录

1 绪论 1

1.1 论文研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

2 有限元法及流场、疲劳分析软件平台 2

2.1 有限元法 2

2.1.1 有限元法的基本思路 2

2.1.2 有限元法进行结构分析的基本步骤 2

2.2 CFX 3

2.2.1 CFX的主要优点 3

2.3 Workbench 4

3 流固耦合的基本理论 4

3.1 流固耦合相关理论 4

3.1.1 计算流体力学概述 4

3.1.2 流体控制方程 4

3.1.3 湍流理论 5

3.2 耦合计算求解过程 6

4 离心泵的内部流场分析 6

4.1 离心泵流道的网格划分 6

4.2 离心泵内流场稳态模拟 9

4.2.1 湍流模型选择 9

4.2.2 设置计算域和边界条件 9

4.2.3 网格交接面的处理 9

4.2.4 壁面条件 10

4.2.5 求解设置 10

4.2.6 离心泵内部流场稳态分析步骤 11

4.2.7 网格无关性检验 25

4.2.8 离心泵定速特性曲线 26

5 离心泵内流场流固耦合数值模拟 27

5.1 离心泵瞬态分析 27

5.1.1 相关参数的设定 27

5.1.2 计算收敛过程 27

5.2 离心泵流固耦合求解 28

5.2.1 ANSYS15.0及Workbench概述 28

5.2.2 计算模型建立及网格划分 28

5.2.3 双向流固耦合的过程 30

6 轴疲劳分析 52

6.1 为材料添加疲劳属性 52

6.2 设置疲劳求解项 54

6.3 求解并查看分析结果 54

参考文献 55

致谢 56

1 绪论

1.1 论文研究背景

动力机械的重要组成部分之一就是泵。水泵在人类的工业生产中有着非常重要的作用,有统计称泵产品70%以上是离心泵,可见增强离心泵的设计研发能力对于我国泵产业的发展非常重要[1]。

离心泵叶轮在日常生活中也被称为工作轮或者转轮,这个部件的主要作用就是转换能量。其几何形状和尺寸对离心泵的性能有影响,并由水力计算确定[2]。

泵的转子系统中最重要的部件之一便是泵轴,泵轴就是用来传递动力的,一旦泵轴损坏,离心泵就无法正常运行,经过力学分析可知泵轴还承受着弯曲、扭转、疲劳等等非常复杂的应力[3]。综上所述,泵轴是一个非常重要的、也非常容易出问题的核心部件。在泵中,轴的应力状态是非常复杂的,不仅有扭矩,在某些情况下,轴向力也相当大。泵在工作过程中它的泵轴受到了各种各样的力的影响,离心泵工作是否稳定、是否可靠都受到泵的状态的影响,可以毫不夸张地说,泵轴决定了离心泵的使用寿命长短和工作状态的好坏[4]。

现今,国内离心泵的生产厂家和相关的科研院校在离心泵双向流固耦合方面的研究少之又少,他们主要研究的是离心泵内流场的稳态分析、瞬态分析还有离心泵中与流场接触的部件的强度分析,这些都是独立做的分析,很少有综合在一起进行分析研究的[5]。在已有技术的情况下并没有真正的让离心泵固体域计算和流体域计算实现数据共享,简单的来说,没有考虑到叶轮变形会对流场分布产生影响这种实际情况,分析所需的载荷被适当简化,这可能导致离心泵的流场分析与实际结果不一致[5]。所以本文要做对离心泵内部流场进行双向流固耦合数值模拟。本文采用ANSYS15.0 提供的Workbench 对离心泵内部流动进行了定常、瞬态及考虑流固耦情况下的数值模拟,为离心泵的优化设计提出符合实际情况的指导意见,为离心泵的设计提供可以参考的有效数据。

1.2 国内外研究现状

我国离心泵产业的发展历经了三个阶段:产品联合设计,产品引进和自主研发。这一时期大部分泵产品都是进口产品进行改造,大部分产品都是普及型的,标准化程度不高[6]。后来,国内相关产业的技术人员为了获得性能更好的离心泵产品,对离心泵的内部流场进行了非常深入的研究,尤其是吴仲华教授提出的叶轮机械三元流动理论可以称得上是一次理论飞跃,大大地促进我国离心泵内流场数值模拟的发展。在此影响下,一些新的分析方法也被用于离心泵的数值分析。在21世纪,研究人员使用专业商业软件来解决湍流模型和编程的技术问题。通过对其内部流动规律的连续模拟,实现了更精确的性能预测。2002年,江苏大学赵斌娟等人总结了使用商业软件来分析优化叶轮的不足之处。有必要使用不同的优化通道以及网格生成技术,使叶轮结构更加合理。 2007年,梁武科教授将离心泵的叶轮两个叶片之间的流场设定为研究对象,通过CFD技术的优化,使叶轮的结构更加合理,并证明了该方法的实用性[7]。

目前,国外大多采用CFD软件对离心泵的性能进行分析和探讨。CFD技术在过去20多年来发展速度这么快,除了计算机运算能力的跨越式发展这一因素,主要是因为针对离心泵内流场这一问题的分析方法和实验方法有着很大的局限性,使得很多研究无法开展。由于问题的复杂性,它不能作分析解,而且成本高,不能进行实验测定。但是,CFD技术完美地解决了这些问题,它既可以模拟危险的实验条件又可以模拟实验很难达到的理想条件[8]。FLUENT目前是世界上最流行的商用CFD软件,占据了美国市场份额的60%。它拥有数量庞大的物理模型,科学先进的数学工具和十分强大的前处理能力,FLUENT软件使用各种离散格式和符合条件的数值方法,在特定条件下,实现了运算速度、精度、稳定性的最优组合,从而高效率地解决各种复杂的流动问题[9]。

有两种传统的方法来检验泵轴的强度:一种是实验研究,另一种是分析计算。鉴于第一种方法(实验研究)存在研究成本高,耗时长等缺点,采用分析计算方法研究轴的强度受到了人们的重视[10]。有限元法发迹于二十世纪六十年代,它是一个非常实用而且强大的分析方法。有限元法使得许多复杂难解的工程问题得到了有效的解决。伴随着前后处理技术的蓬勃发展,有限元法分析软件开始商品化,使得其在工业生产和科研项目中得到更为广泛的应用。对于泵轴来说,承受载荷条件复杂,并且使用要求高的部件,使用有限元方法较好[11]。

(1)通过有限元方法,根据零件的受到的力和边界条件进行模型建立和数值分析,直观准确地模拟出零件上的应力分布情况。这使得设计者在生产设计中得到更具体、更实用的帮助,零件的设计更有的放矢。

(2)还可以根据实际情况建立专门的参数分析方程,改变不同的参数值来满足零件强度分析的需要,节省人力物力成本,降低制造和维护保养该零件的成本,大大缩短零件试生产的周期,结合分析结果改进设计,给社会带来巨大的经济效益。

2 有限元法及流场、疲劳分析软件平台

2.1 有限元法

2.1.1 有限元法的基本思路

有限元法就是把要分析的的结构当成是有限数量的划分单元,然后把单元节点的位移或者节点力当做未知量进行方程求解。根据未知量的选取,有限元法又可以细分为位移法、力法和混合法。

2.1.2 有限元法进行结构分析的基本步骤

有限元法进行结构分析的基本步骤如下:

1.结构物的离散化

结构的离散化就是用线或者面将要分析的结构分成有限数量的划分单元,这个结构就被认为是一个有限元的组合。根据结构的几何形状特点和分析标准选择合适的单元。接待你就设置在单元的边缘上,而且节点还要与周围的单元连接。

当做结构离散化时,要根据所用计算机的运算能力和所要求的精度来确定合适的单元数量和大小。

2.单元分析

单元分析法就是用来推导单元的节点力和节点位移之间的方程关系式的方法,说白了就是建立单元的刚度矩阵。例如分析杆结构时,就把等截面直杆当作是单元,截面直杆单元两端的节点位移和节点力之间的方程关系式可用结构力学的公式表达出来。在分析弹性力学平面问题的时候,每一个平面单元中的任意节点的位移都要按照一定的方程关系式将节点位移表示出来。这个方程表达式称为位移函数,而且所用的位移函数一定要保证解的收敛性,合适的位移函数是单元分析能否成功的关键所在。确定好了适用的位移函数后,单元刚度方程就可以根据弹性力学的一些基本方程推导出来。

此外,可以使用静力学的等效原理将作用在单元上的外力等效作用到节点上参与分析,这样就形成了等效节点力,起到了简化作用。

对每个单元都做了上述分析之后,就可以建立单元刚度矩阵。

3.整体分析

整体分析就是要推导出整体结构的节点位移和节点力之间的方程关系式,说白了就是建立整体结构可用的刚度方程。

整体分析的流程如下:要根据规则将各单元刚度矩阵组装成整体刚度矩阵,将各单元的等效节点负荷组合成整体等效节点复合矩阵,然后将位移边界条件导入到整体等效节点负荷矩阵来求解整体平衡方程,得到节点位移列阵,最后,计算各个单元的变形和受力。

2.2 CFX

2.2.1 CFX的主要优点

1.超强的网格生成工具

CFX的前处理模块就是用ICEM CFD的网格划分工具,在网格划分过程中,可以自动地对边界层网格进行加密,可以对流场变化很大的区域网格进行特别的加密,并且可以对分离流进行模拟。

ICEM CFD除了有它自己的建模实体的的工具以外,它的网格划分工具还能集成到CAD系统中。这样用户就可以在自己的CAD系统中使用ICEM CFD来进行网格划分。例如用户在自己的CAD系统中设置好了网格大小、面、线等,这些设置好的数据就会被存储到CAD的原始数据库内,这样用户在用CAD修改几何模型的也不会丢失网格划分的设置信息。此外,CAD自己的实体建模工具可以直接与ICEM CFD中的网格处理工具连接起来,大大缩短了实体模型修改后的网格再生成时间。其接口可用于SolidWorks,Catia,Pro / Engineer,Ideas,Unigraphics和其他CAD系统。

2.较高的求解精度

和大多数CFD软件不同的是CFX不仅使用有限体积法,还使用基于有限元的有限体积法。基于有限元的有限体积法不仅数值精度高而且能保证守恒。在CFX中,有限体积法对于六面体网格单元只使用六点插值,但是基于有限元的有限体积法则使用二十四点插值,可见基于有限元的有限体积法精度较高。CFX除了有常用的湍流模型,还能使用大涡流模型和分离流模型。

2.3 Workbench

自ANSYS 7以来,ANSYS发布了两个版本的ANSYS经典版和ANSYS Workbench版本,已开发到18.2版本。ANSYS经典版和ANSYS Workbench。前者也被称为经典界面。它注重原理和求解器的选择等,对结构、力学、有限元等理论知识有较高的要求。后者实际上是一个集成的设计平台,封装了许多过程和软件,并且更易于使用。

3 流固耦合的基本理论

3.1 流固耦合相关理论

3.1.1 计算流体力学概述

计算流体力学可以用来模拟研究流体流动、热流传导等相关物理问题。它在数学上制定流体力学方程,燃烧方程,质量能量方程,半经验公式等方程,然后结合时间和空间差异来模拟流场。具体步骤如图3.1。

图3.1 CFD分析过程

CFD分析采用的是一种离散的近似计算方法,它适用于计算机上使用的离散有限数字模型。我们只能得到这些离散点上的解,不能得到任何的方程表达式。在一些特殊情况下,CFD反而会产生数值粘性和色散等不符合实际的物理效应,这样得到的计算结果也是不现实的。为了避免这种情况,CFD分析在很大程度依靠经验对计算结果进行取舍。

3.1.2 流体控制方程

流体流动肯定要遵循物理学中的三个守恒定律:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。流体控制方程正是通过这些守恒定律推导得出的方程式。由质量守恒推导出连续方程,由动量守恒推导出Navier-Stokes方程,由能量守恒推导出能量守恒方程。

3.1.3 湍流理论

1、雷诺方程及湍流模型

流体流动主要有两种形式:层流和湍流。流体流动平滑且相邻的流体层不会混合在一起的流动形式就是层流,流体流动混乱的流动性是就是湍流。