基于流固耦合理论的离心泵冲压焊接叶轮强度分析.pdf

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1、第27卷2011焦第3期3月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．27No．3Mar．2011131基于流固耦合理论的离心泵冲压焊接叶轮强度分析王洋，王洪玉※，张翔，徐小敏(江苏大学流体机械工程技术研究中心，镇江212013)摘要：为准确计算冲压焊接叶轮在流场中的应力及变形情况，借助计算机辅助工程(computer-aidedengineering，CAE)多物理场协同仿真平台ANSYSWorkbench，采用单向流固耦合方法对叶轮耦合系统进行仿真计算。结果表明，各工况下叶轮应力分布

2、明显不均，并在局部出现应力集中。叶轮变形的总位移随半径的增大不断变大，并在叶轮边缘达到最大值。叶轮最大等效应力在0．6倍设计流量工况下为48．7MPa，随流量的增大不断减小。叶轮总变形的最大位移在小流量工况下最大为0．0234mill，随流量的增大先减小后增大，并在1．2倍设计流量工况下出现最小值0．0170toni。为提高叶轮可靠性，应尽量避免其在小流量工况下运行。计算结果为冲压焊接叶轮的结构设计及分析提供有效依据。关键词：离心泵，有限元，应力分析，冲压焊接叶轮，流固耦合，等效应力doi-10．3969／j

3、．issn．1002—6819．2011．03．025中图分类号：TH311文献标志码：A文章编号：1002—6819(2011)一03—0131—06王洋，王洪玉，张翔，等．基于流固耦合理论的离心泵冲压焊接叶轮强度分析[J]．农业工程学报，2011，27(3)：131—136．WangYang，WangHongyu,ZhangXiang，etai．StrengthanalysisOilthestampingandweldingimpellerincentrifugalpumpbasedonfluid-stm

4、ca鹏interactiontheorem[J]．TransactionsoftheCSAE，2011，27(3)：131—136．(inChinegewithEnglishabstract)0引言20世纪90年代国内开始使用不锈钢离心泵，由于该泵具有节材环保、清洁美观、性能良好、生产率高等优点，广泛应用于农业、医药、船舶、锅炉给水等行业的液体输送、增压及冷、热水循环。冲压焊接叶轮是不锈钢离心泵内的核心部件，其结构的可靠性对整个机组的安全运行有着重要的影响，因此，对冲压焊接叶轮的强度计算及结构优化越来越受到人

5、们的重视。准确地对冲压焊接叶轮进行强度分析可为叶轮的结构设计及寿命延长提供依据。目前对于离心泵叶轮强度的计算大多基于经验和统计分析，一般采用近似方、法【卜31。这些方法对流场压力载荷作了极大简化，只能粗略估算叶轮上的应力，无法得到叶轮上的应力分布特征，也无法准确求得最大应力的发生位置。这样得到的计算结果和叶轮实际工作情况有较大出入。另一方面，对在液下高速旋转的叶轮进行应力测试难度较大，只能测量特定部位的应力，并且测量结果也无法应用于同系列其他叶轮。有限元方法及应用软件的发展使得叶轮强度的准确计算成为可能，而且

6、模型无需过多简化。根据计算结果可以详细了解叶轮的应力状态和变形情况。因此采用有限元方法同时考虑流场收稿日期：2010-04．22修订日期：2010-06-10基金项目：江苏省科技服务业计划项目(BIVl2008375)作者简介：王洋(1955一)，男，河北定州人，研究员，博士生导师，主要从事流体机械测试及自动化控制研究。江苏省镇江市学府路301号江苏大学流体机械工程技术研究中心，212013。Email：pgwy@ujs．edu．锄※通信作者：王洪玉(1984一)，男，河北衡水人，主要从事不锈钢离心泵的设计与

7、研究。江苏省镇江市学府路301号江苏大学流体机械工程技术研究中心，212013。Emaihwan9330783396@126．coln压力载荷对冲压焊接叶轮进行强度分析是完全可行的，并有其实际意义。为准确计算冲压焊接叶轮在流场中的受力及变形情况，采用单向流固耦合方法对叶轮耦合系统进行求解计算。通过对不锈钢离心泵内的全流场计算，得到不同工况下叶轮所承受的流场压力载荷，进而对冲压焊接叶轮进行有限元分析，重点分析叶轮在不同工况下的应力及变形情况。1流固耦合问题求解方法流固耦合力学是流体力学和固体力学交叉而生成的一门

8、力学分支。它主要研究固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场的影响。流固耦合问题的求解，本质上应根据统一的耦合方程，在一个时间步内对流体域和固体域中所有的未知量同时求解，即强耦合方法【4】。由于计算机计算能力及求解精度的不同，目前还存在其他的相应求解策略，如弱耦合【5】或单向耦创6l。相对离心泵内流场尺寸，冲压焊接叶轮在流场中的变形微小，故本文采用单向流固耦合方法求解，忽略固体变形对流场的