有色金属科学与工程  2010, Vol. 1 Issue (2): 92-95
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赵运才, 左亮涛. 渣浆泵叶轮的有限元强度分析[J]. 有色金属科学与工程, 2010, 1(2): 92-95. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2010.06.015.
ZHAO Yun－cai, ZUO Liang－tao. Strength Analysis with FEA Method on Impellers of Slurry Pumps[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2010, 1(2): 92-95.DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2010.06.015.
渣浆泵叶轮的有限元强度分析[PDF全文]
赵运才 , 左亮涛     
江西理工大学机电工程学院，江西 赣州 341000
作者简介：赵运才(1964-)，男，博士，教授
收稿日期：2010-08-15
摘要：先用Pro/ENGINEER软件构建矿用离心式渣浆泵叶轮模型图，再利用ANSYS5.0有限元分析软件对其叶轮进行有限元强度分析.再根据泵空转和工作时两种不同情况进行有限元强度分析，为实现渣浆泵叶轮的合理化生产提供必要的理论依据.
关键词：离心式渣浆    叶轮    强度分析    有限元    Pro/E    
Strength Analysis with FEA Method on Impellers of Slurry Pumps
ZHAO Yun－cai , ZUO Liang－tao     
Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
Abstract: A model of impellers of centrifugal slurry pumps for mining industry is established with Pro/ENGINEER before ANSIS5.0 is applied as the FEA software to conduct a strength analysis on the impellers with FEA Method. Subsequently, FEA on strength is carried out on two cases of pump no-load operation and with-load operation, thus providing a necessary theoretical basis for the reasonable manufacturing of slurry pump impellers.
Key words: centrifugal slurry pump    impeller    strength analysis    finite element    Pro/E    
0 引言

主要运用Pro/ENGINEER[1]软件强大的建模功能及ANSYS软件[2-3]的结构静力分析进行强度校核.结构静力分析用来求解稳态外载荷引起的系统或部件的位移、应变、应力和力.静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题，如确定结构中的应力集中现象.ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析.

在程序的静力分析中，由于只是分析计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用与结构或部件上引起的位移、应力、应变和力, 因此一般都是假定载荷和响应固定不变，即假定载荷和结构的响应随时间变化非常缓慢.静力分析所施加的载荷包括:外部施加的作用力(压力)、稳态的惯性力(如重力和离心力)、位移载荷、温度载荷.

1 有限元模型的建立

以离心式渣浆泵叶轮空转和工作时强度的有限元分析为例，来说明改型后叶轮在这两种工况下的应力分布状况.该叶轮主要参数如下:

进口直径：D1 =100mm，出口直径D2=220mm，叶片出口宽度b2 =15mm，叶片包角φ=2/3π，流量Q= 60m3/h, 扬程H=35m，转速n=2400r/min，电动机功率P=11kW, 流体密度ρ=2600kg/m3.

图 1即为在Pro/ENGINEER软件中构建的叶轮模型图[4-5].表 1为此叶轮的材料属性[6].

图 1 叶轮整体模型图

表 1 叶轮的材料属性
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另外，由于此叶轮模型比较复杂，笔者利用ANSYS软件与Pro/ENGINEER软件的接口模块导入到ANSYS中后发现，在网格分析中经常出错，所以利用Pro/ENGINEER软件下的Mechanical模块先对其进行材料定义和网格划分等前期工作，这样能使分析更加的准确和更有效率. 图 2和图 3分别为在Mechanical模块下的材料定义和网格划分后的效果图.

图 2 叶轮模型的材料定义

图 3 Mechanical模块下的网格划分图

1.1 约束条件

约束条件的简化是分析中极为重要的一个环节，适当的简化约束条件可以最好地模拟物体受力及边界条件从而得出精确的解答.建立有限元分析模型应当在每个坐标轴方向上至少给定一个约束，受约束节点的数量根据实际情况具体确定.

(1) 对称边界简化.在叶轮轮毂六面体内表面施加对称约束，但前提必须是处理好对称边界上的约束条件.

(2) 施加转速.叶轮工作时的转速为153rad/s，选择轮毂六面体一条棱上一节点，x向自由度设为0，选择PCG迭代求解器进行求解.

1.2 载荷简化

现实载荷作用形式千变万化，将它转化为在ANSYS程序中容易表示的载荷形式也是极其重要的.文中转筒组件所受的应力载荷主要包括来自叶轮自身转动所产生的惯性力和工作时流体对它的反作用力.所以，分空转和工作时两种情况进行有限元强度分析.图 4为在mechanical模块下建立好的模型导入到ANSYS软件下的模型图，并且施加了z方向的转速.

图 4 ANSYS下的叶轮网格划分图

1.3 应力计算与分析 1.3.1 叶轮空转时的有限元强度分析

此种工况下，就是叶轮在空转时，只考虑叶轮自身的离心运动所产生的惯性力作用，对其进行有限元的强度分析[7].由于之前将叶轮模型导入ANSYS软件后，在约束条件下已经在z方向施加了转速为153rad/s的角速度，故可以直接进入后处理阶段进行计算分析.得到叶轮空转情况下的受力分析如图 5.

图 5 叶轮空转的应力云图

由图 5可以看出，叶轮在空转这种情况下的应力分布情况，最大应力出现在叶轮轮毂与轮体的结合部位和叶片与轮盘结合部位，即叶片的根部，最大应力为212MPa，小于高铬铸铁材料的抗拉许用应力，所以空转时的强度足够，能够保证叶轮的安全运行.图 6为最大应力处的局部放大特写.

图 6 根部最大应力特写

1.3.2 叶轮工作时的有限元强度分析

叶轮在工作时会受到流体对它的反作用力，所以可以利用ANSYS软件中的流-固耦合分析的方法对其在工作时的情况进行强度分析[8].故在软件中相对于空转情况还需做以下假设.

(1) 泵体内部叶轮中流体为定常、理想且不可压缩的流体.

(2) 忽略流体与轮盘表面沿径向的摩擦作用[9].

(3) 假设叶轮在工作过程中，其材料也就是高铬铸铁的物体参数没有变化.

一些前处理阶段的设置与叶轮空转情况下的设置相同，还需增加液体的体积弹性模量为2.05GPa，流体的密度为2600kg/m3.其他的如边界条件等设置也与之前的设置相同，然后利用PCG迭代求解器进行求解.图 7即为叶轮在工作情况下的应力云图.

图 7 叶轮工作时的应力云图

由图 7可以看出叶轮在工作时的等效应力分布状况，工作时最大应力出现在叶轮轮毂与轮体的结合部位和叶片与轮盘结合部位(即叶片根部)，与实际情况相吻合，最大应力为272MPa，满足强度条件.图 8为最大应力处的特写图.

图 8 根部最大应力特写

由以上分析可知，因为叶轮工作时的应力沿叶片轴向和轮盘径向变化较大，叶轮工作时叶片和叶轮轮廓与轮盘结合部位受到的应力最大，而离心泵在工作中流体又主要依靠叶片来传递动力，叶片受到流体很大的反作用力.因此，在制造离心式渣浆泵叶轮时要着重考虑叶轮叶片的强度[10].

从叶轮的变形云图可以发现这种渐变的特征.叶轮在工作时，因为其在工作中受到料浆强烈的磨损，叶轮可能会发生较大的形变，图 9为叶轮工作时各部分的形变分布图.

图 9 叶轮工作时的变形云图

图 9所示为叶轮的整体变形。从图 9中可以看出，叶轮的变形由叶轮中心向外逐渐增大，最大的变形发生在叶片的外缘.最大变形值为4.89×10-3mm，所以叶轮的变形量较小，可以满足要求

2 结论

首先利用PRO/E建模，然后导入ANSYS软件中进行有限元应力分析，通过两种工况进行比较得到以下结论：

(1) 工作时最大应力出现在叶轮轮廓与轮体的结合部位和叶片与轮盘结合部位(即叶片根部)；

(2) 叶轮的变形由叶轮中心向外逐渐增大，最大的变形发生在叶轮外缘.有限元分析的结果为叶轮的强度计算提供了可靠依据.

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