基于ANSYS/PDS的往復(fù)泵泵閥閥盤的可靠性分析

裴峻峰，黃顯茹，陳園麗，代云聰

（常州大學(xué) 機械工程學(xué)院，常州 213016）

基于ANSYS/PDS的往復(fù)泵泵閥閥盤的可靠性分析

裴峻峰，黃顯茹，陳園麗，代云聰

（常州大學(xué) 機械工程學(xué)院，常州 213016）

為了驗證閥盤的可靠性，結(jié)合閥盤的實際結(jié)構(gòu)和和受力情況，運用ANSYS建立了閥盤有限元模型并進行應(yīng)力計算，再根據(jù)應(yīng)力-強度干涉理論，建立極限狀態(tài)函數(shù)，利用ANSYS/PDS模塊，選用蒙特卡羅（Monte Carlo）法對BW-250型往復(fù)泵泵閥閥盤進行強度可靠性分析。結(jié)果表明：閥盤可靠度為99.89%，其中閥盤直徑和錐角對其可靠性影響最大。同時也表明運用該方法對閥盤進行可靠性分析是可行的，為閥盤的可靠性設(shè)計提供了新思路，具有一定工程應(yīng)用價值。

往復(fù)泵；泵閥；閥盤；可靠性分析；ANSYS/PDS模塊；蒙特卡羅

0 引言

閥盤是往復(fù)泵泵閥的關(guān)鍵零件之一，它在泵的工作中是主要的承力零件[1]，其工作性能的好壞直接關(guān)系到泵能否正常運轉(zhuǎn)。閥盤在流體壓力的作用下下落與閥座接觸，產(chǎn)生閥盤對閥座的沖擊力，該沖擊力對閥盤或閥座材料的應(yīng)力值帶來一定的影響，從而引起閥盤的失效，導(dǎo)致泵無法正常工作。隨著工業(yè)技術(shù)的需求，往復(fù)泵向高速、大功率方向發(fā)展，于是對閥盤的工藝和結(jié)構(gòu)都進行了改進，對其工作性能提出了更高要求。閥盤的傳統(tǒng)設(shè)計是根據(jù)閥盤的強度計算確定其幾何尺寸，然后校核其強度，只要滿足最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力則認為是安全的。這種方法具有一定的的經(jīng)驗性和盲目性[2]，造成材料使用不合理，以至于材料成本過高。針對上述問題，本文采用ANSYS/PDS設(shè)計分析模塊，將閥盤的幾何尺寸、材料參數(shù)以及載荷等作為隨機變量參數(shù)，采用蒙特卡羅法，應(yīng)用應(yīng)力-強度干涉理論，對閥盤的可靠性進行了計算，對閥盤的設(shè)計提供了重要的指導(dǎo)意義。

1 可靠性設(shè)計基本理論及方法

1.1 可靠性基本理論

機械可靠性設(shè)計是分析產(chǎn)品的失效概率，它把隨機方法（概率論和數(shù)理統(tǒng)計）應(yīng)用于工程設(shè)計，不僅能彌補傳統(tǒng)設(shè)計方法上存在的一些不足，并且能有效提高產(chǎn)品設(shè)計水平和質(zhì)量，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。在進行機械可靠性分析時，根據(jù)機械零件性能的相關(guān)因素X1,X2,…,Xn（如零件幾何尺寸、材料特性、載荷狀態(tài)等）建立極限狀態(tài)函數(shù)：

通常在機械產(chǎn)品中，零件(部件)的正常還是失效決定于零件強度和載荷應(yīng)力的關(guān)系。若將隨機變量X1,X2,…,Xn考慮為零件強度R和載荷應(yīng)力S，則極限狀態(tài)函數(shù)簡化為：

上述模型稱為應(yīng)力-強度干涉模型[4]。該模型是合理建立應(yīng)力與強度之間的的概率設(shè)計數(shù)學(xué)模型，控制機械產(chǎn)品失效概率，以達到產(chǎn)品設(shè)計要求。

1.2 蒙特卡羅法

蒙特卡羅（Monte Carlo）方法是概率統(tǒng)計中最常用的基本方法[5]，可直接用于模擬各種工程真實過程。它的基本思想是建立概率統(tǒng)計數(shù)學(xué)模型，考慮模型中應(yīng)包含的風(fēng)險變量，收集有關(guān)風(fēng)險變量數(shù)據(jù)，確定其分布規(guī)律，根據(jù)分析精度要求確定抽樣次數(shù)N，選擇抽樣方法（直接抽樣法或拉丁抽樣法）產(chǎn)生隨機數(shù)，根據(jù)產(chǎn)生的隨機數(shù)，在各風(fēng)險變量的概率分布中隨機取值代入到建立的數(shù)學(xué)模型中計算，得到N個目標值，對其進行統(tǒng)計計算，為進行可靠性分析做好準備。

1.3 ANSYS/PSD可靠性分析實現(xiàn)

ANSYS/PDS概率分析模塊可用于評估輸入?yún)?shù)的不確定性對于系統(tǒng)響應(yīng)的影響行為及其特性[5]。它不僅能計算得到較為準確的可靠度，還能分析得出結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對可靠度的敏感性，具體實現(xiàn)步驟[6,7]為：

1）創(chuàng)建完整的分析文件；

2）進入PDS模塊并指定分析文件；

3）定義隨機輸入和輸出變量；

4）選擇概率設(shè)計分析方法；

5）執(zhí)行概率設(shè)計分析所需要的循環(huán)；

6）查看概率設(shè)計結(jié)果。

2 閥盤的可靠性分析

2.1 問題描述

本文以BW-250型往復(fù)泵泵閥為例，圖1為泵閥結(jié)構(gòu)簡圖，其工作條件為：功率為15kW，沖次為116次/min，流量為145L/min，壓力為4.5MPa。閥盤的材料為38CrMoAl，其屈服極限為835 MPa。閥盤的運動分為兩個階段，即非關(guān)閉狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)，其中關(guān)閉階段是閥盤與閥座碰撞接觸的一個過程，它主要受到流體的壓力和具有加速度的慣性力，而非關(guān)閉狀態(tài)主要受流體壓力的作用，比較這兩者，閥盤在關(guān)閉階段受到的應(yīng)力要比非關(guān)閉狀態(tài)下的應(yīng)力大。因此，這里對閥盤關(guān)閉時受到的應(yīng)力進行計算。

圖1 泵閥簡化模型示意圖

根據(jù)閥盤的的實際幾何尺寸及工作受力情況進行結(jié)構(gòu)簡化，選用20節(jié)solid95計算單元，由于閥盤模型的不規(guī)則性，采用自由網(wǎng)格劃分，有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，施加邊界條件和載荷進行靜力分析，分析中利用將閥盤加速度與閥盤質(zhì)量相乘來得到慣性力，采用靜態(tài)思想來處理，得到閥盤的VonMises等效應(yīng)力圖，如圖3所示。

圖2 閥盤有限元模型

圖3 等效應(yīng)力分布圖

2.2 可靠性分析

閥盤在工作中承受的最大應(yīng)力不允許超過選用材料的屈服極限，反之，判斷其為失效。因此定義失效準則[8]為：其中σmax為閥盤運動中的最大等效應(yīng)力值，Mpa；σs為材料的屈服極限，Mpa。于是，定義極限狀態(tài)函數(shù)為時，判斷為失效狀態(tài)，那么閥盤的可靠度為的概率。

根據(jù)閥盤的實際工作情況，以閥盤直徑（D），閥盤錐角（ZJ），彈性模量（TXML），密度（LO），屈服強度（QF），壓力載荷（P）為隨機輸入變量，定義最大等效應(yīng)力（σmax）和極限狀態(tài)函數(shù)（Z）為隨機輸出變量，計算閥盤的可靠度。分析中，假設(shè)上述隨機輸入變量均服從高斯分布（又稱正態(tài)分布）。隨機輸入變量統(tǒng)計值如表1所示。

表1 隨機輸入變量統(tǒng)計值

圖4 最大等效應(yīng)力抽樣曲線圖

選擇蒙特卡羅法中的拉丁抽樣法對該模型進行抽樣，抽樣模擬次數(shù)為300次，圖4為95%置信度下的閥盤最大等效應(yīng)力抽樣曲線圖，圖中中間那條曲線表示最大等效應(yīng)力均值變化曲線，上面那條曲線表示置信區(qū)間上限變化曲線，下面那條曲線表示置信區(qū)間下限變化曲線置信區(qū)間的寬度隨著抽樣次數(shù)的增加而減小，且最大等效應(yīng)力均值變化趨于水平，說明循環(huán)次數(shù)足夠多。

2.3 分析結(jié)果

2.3.1 累積分布函數(shù)及可靠度

累積分布函數(shù)可以獲得零件的可靠度或失效概率，其函數(shù)上任意一點值等于數(shù)據(jù)出現(xiàn)在該點的概率值。圖5為置信度為95%的極限函數(shù)Z(X)的累積分布圖，由概率設(shè)計計算結(jié)果直接讀取得本算例閥盤在置信度為95%的情況下，可靠度為99.89%。

圖5 極限函數(shù)Z(X)的累積分布圖

2.3.2 靈敏度分析

概率靈敏度可以分析得到失效的最主要影響因素。圖6是閥盤最大應(yīng)力靈敏度圖，從圖中可以看出，對閥盤最大應(yīng)力影響較大的最主要參數(shù)是閥盤錐角（ZJ），和閥盤直徑（D），流體壓力（P）對其也有一定影響，但其作用程度沒有閥盤錐角和直徑大。因此要提高閥盤的可靠度，減小應(yīng)力，在設(shè)計過程中應(yīng)嚴格控制這些參數(shù)。閥盤錐角對閥盤可靠度的靈敏度是負值，閥盤直徑和流體壓力對其靈敏度是正值，表明閥盤所受應(yīng)力隨閥盤錐角的增加而減小，隨閥盤直徑和流體壓力的增加而增加，與實際相關(guān)特性相符。

圖6 靈敏度分析結(jié)果示意圖

3 結(jié)論

本文根據(jù)閥盤實際結(jié)構(gòu)尺寸和受力情況，建立了閥盤的有限元模型，利用ANSYS軟件及PDS結(jié)果后處理，獲得了閥盤的應(yīng)力分布圖、該閥盤的可靠度及各輸入變量對輸出參數(shù)影響程度大小。本算例閥盤可靠度為99.89%，其中閥盤直徑和錐角是影響可靠性的最主要因素，證明了ANSYS/PDS概率設(shè)計模塊分析閥盤失效概率或可靠度的可行性，為閥盤結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有效依據(jù)，有較好的應(yīng)用價值。

[1] 葉永彪,朱永有,王龍龍.往復(fù)泵泵閥失效分析[J].水利電力機械,2006,28(1)：37-38.

[2] 黃天成,張炎,王宏麗,等.基于ANSYS/PDS的抽油機支架可靠性分析[J].制造業(yè)自動化,2011,33(7)：119-121.

[3] 謝里陽,王正,周金宇,等.機械可靠性基本理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社,2009.

[4] 宮恩祥,黃銘科,葉娟,等.基于ANSYS的液力透平軸可靠性分析[J].石油機械,2011,39(1)：39-42.

[5] 施衛(wèi)東,顏品蘭,蔣小平,等.基于ANSYS/PDS的泵軸可靠性分析[J].排灌機械,2008,26(5)：1-4.

[6] Ref S,Beley J-D,Khor EH,et al.Probabilistic fi nite element analysis using ANSYS[J].Structural Safety,2006,28(1-2)：17-43.

[7] Ching J,Beck JL.Real-time reliability estimation for serviceability limit states in structures with uncertain dynamic excitation and incomplete output data[J].Probabilistic Engineering Mechanics,2007,22(1)：50-62.

[8] 周鵬飛,董金善,楊益清,等.基于ANSYS的異形封頭可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造,2012,(1)：28-30.

Reliability analysis for reciprocating pump valve disc based on ANSYS/PDS

PEI Jun-feng，HUANG Xian-ru，CHEN Yuan-li，DAI Yun-cong

TH321; TH123+.4

B

1009-0134(2014)05(下)-0063-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).18

2014-01-05

國家自然科學(xué)基金項目（51175051）

裴峻峰（1954 -），男，江蘇宜興人，教授，博士，主要研究方向為石油石化裝備可靠性與故障診斷。