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20世紀(jì)90年代國(guó)內(nèi)開(kāi)始使用不銹鋼離心泵，由于該泵具有節(jié)材環(huán)保、清潔美觀、性能良好、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、船舶、鍋爐給水等行業(yè)的液體輸送、增壓及冷、熱水循環(huán)。沖壓焊接葉輪是不銹鋼離心泵內(nèi)的核心部件，其結(jié)構(gòu)的可靠性對(duì)整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行有著重要的影響，因此，對(duì)沖壓焊接葉輪的有限元分析計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化越來(lái)越受到人們的重視。準(zhǔn)確地對(duì)沖壓焊接葉輪進(jìn)行強(qiáng)度分析可為葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及壽命延長(zhǎng)提供依據(jù)。
目前對(duì)于離心泵葉輪強(qiáng)度的計(jì)算大多基于經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析，一般采用近似方法。這些方法對(duì)流場(chǎng)壓力載荷作了極大簡(jiǎn)化，只能粗略估算葉輪上的應(yīng)力，無(wú)法得到葉輪上的應(yīng)力分布特征，也無(wú)法準(zhǔn)確求得最大應(yīng)力的發(fā)生位置。這樣得到的計(jì)算結(jié)果和葉輪實(shí)際工作情況有較大出入。另一方面，對(duì)在液下高速旋轉(zhuǎn)的葉輪進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試難度較大，只能測(cè)量特定部位的應(yīng)力，并且測(cè)量結(jié)果也無(wú)法應(yīng)用于同系列其他葉輪。有限元方法及應(yīng)用軟件的發(fā)展使得葉輪強(qiáng)度的準(zhǔn)確計(jì)算成為可能，而且模型無(wú)需過(guò)多簡(jiǎn)化。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以詳細(xì)了解葉輪的應(yīng)力狀態(tài)和變形情況。因此采用有限元方法同時(shí)考慮流場(chǎng)壓力載荷對(duì)沖壓焊接葉輪進(jìn)行強(qiáng)度分析是完全可行的，并有其實(shí)際意義。
為準(zhǔn)確計(jì)算沖壓焊接葉輪在流場(chǎng)中的受力及變形情況，采用單向流固耦合方法對(duì)葉輪耦合系統(tǒng)進(jìn)行求解計(jì)算。通過(guò)對(duì)不銹鋼離心泵內(nèi)的全流場(chǎng)計(jì)算，得到不同工況下葉輪所承受的流場(chǎng)壓力載荷，進(jìn)而對(duì)沖壓焊接葉輪進(jìn)行有限元分析，重點(diǎn)分析葉輪在不同工況下的應(yīng)力及變形情況。
流固耦合力學(xué)是流體力學(xué)和固體力學(xué)交叉而生成的一門(mén)力學(xué)分支。它主要研究固體在流場(chǎng)作用下的各種行為以及固體變形或運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響。流固耦合問(wèn)題的求解，本質(zhì)上應(yīng)根據(jù)統(tǒng)一的耦合方程，在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)對(duì)流體域和固體域中所有的未知量同時(shí)求解，即強(qiáng)耦合方法。由于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力及求解精度的不同，目前還存在其他的相應(yīng)求解策略，如弱耦合或單向耦合。相對(duì)離心泵內(nèi)流場(chǎng)尺寸，沖壓焊接葉輪在流場(chǎng)中的變形微小，故本文采用單向流固耦合方法求解，忽略固體變形對(duì)流場(chǎng)的影響。
采用有限元方法對(duì)流體域和結(jié)構(gòu)域進(jìn)行離散，基于統(tǒng)一耦合方程及其凝聚方式，單向耦合的求解步驟如下：首先對(duì)流場(chǎng)元素進(jìn)行求解；根據(jù)求解的流場(chǎng)元素，將更新后的流體矢量傳遞給結(jié)構(gòu)，結(jié)合耦合界面信息求解結(jié)構(gòu)元素。單向耦合控制方程及推導(dǎo)過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)。
選取某XZS32-160/30型端吸離心泵為計(jì)算對(duì)象，其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：進(jìn)口直徑 Ds=50 mm，出口直徑Dd=32 mm，設(shè)計(jì)流量Qd=12.5 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程Hd=32 m，轉(zhuǎn)速n=2900 r/min。沖壓焊接葉輪的進(jìn)口直徑Dj=53.4 mm，出口直徑D2=166 mm，出口寬度b2=5 mm，前蓋板厚度d1=1.6 mm，后蓋板厚度d2=2 mm，葉片流面厚度s=1.5 mm，葉片數(shù)為6。葉片與前、后蓋板之間經(jīng)焊接工藝形成葉輪整體，其焊接之前各部件幾何模型如圖所示。
由于離心泵內(nèi)部流動(dòng)的非對(duì)稱(chēng)性，使葉輪在流場(chǎng)中受力相當(dāng)復(fù)雜。為準(zhǔn)確地得到葉輪在流場(chǎng)中的壓力載荷，對(duì)葉輪耦合系統(tǒng)采用整場(chǎng)離散、整場(chǎng)求解的方法進(jìn)行分析。
流體計(jì)算模型由葉輪進(jìn)口延伸及前泵腔、葉輪、蝸殼、后泵腔內(nèi)流體組成。利用 Workbench中的網(wǎng)格劃分模塊CFX-Mesh對(duì)流體進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，在近壁面區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密，加密層數(shù)為5，增長(zhǎng)率為1.3，網(wǎng)格總數(shù)為931254，節(jié)點(diǎn)數(shù)為274787。
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