有限元分析軟件在大型隔膜泵設(shè)計(jì)研發(fā)中的應(yīng)用

王連丹，陳 揚(yáng)，2

(1.中國(guó)有色(沈陽(yáng))泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110144；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

大型隔膜泵作為固-液兩相介質(zhì)輸送的關(guān)鍵設(shè)備，目前已廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、石油化工等諸多領(lǐng)域。在大型隔膜泵的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)充分考慮產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、制造成本、加工工藝可行性以及裝配精度等多方面因素。因此采用有限元分析軟件對(duì)隔膜泵關(guān)鍵件進(jìn)行強(qiáng)度校核具有重要意義[1]。此外，在隔膜泵動(dòng)力端和液力端關(guān)鍵件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中引入有限元分析軟件還兼具有事故成因追溯、挽回機(jī)加工失誤的作用。目前，隔膜泵動(dòng)力端和液力端關(guān)鍵件設(shè)計(jì)過(guò)程中常用的有限元分析軟件主要包括：Simulation、ANSYS、ADINA等，使用范圍涉及到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算、裝配件動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算以及流固耦合分析計(jì)算[2]。

1 Simulation在隔膜泵關(guān)鍵件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

Simulation作為三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks的一項(xiàng)模塊化功能，已經(jīng)在眾多行業(yè)的設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)是界面友好、操作簡(jiǎn)便易上手，且內(nèi)置于三維繪圖軟件中更方便工程技術(shù)人員的直接調(diào)用。圖1是采用Simulation對(duì)隔膜泵液力端隔膜腔進(jìn)行壓力為8MPa的邊界條件圖和靜強(qiáng)度分析結(jié)果[3]?？芍摷谶@一工況下的最大應(yīng)力值為63.7MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)腔圓角處。

圖1 利用Simulation分析隔膜泵液力端隔膜腔的邊界條件圖與結(jié)果圖

2 ANSYS在隔膜泵關(guān)鍵件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

ANSYS作為經(jīng)典有限元分析軟件，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中。該軟件的優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)用范圍廣、可操作性強(qiáng)、前處理、求解器與后處理過(guò)程均集成于軟件內(nèi)部。但該軟件操作環(huán)境為全英文界面，且對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較高，因此目前僅在科研院所、大型國(guó)有企業(yè)、高等院校以及部分高新技術(shù)企業(yè)擁有正版版權(quán)。圖2是采用ANSYS軟件對(duì)隔膜泵動(dòng)力端連桿進(jìn)行強(qiáng)度分析的邊界條件圖和強(qiáng)度分析結(jié)果。可知該件在這一工況下的最大應(yīng)力值為63MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在連桿大端最大余弦力位置。

3 ADINA在隔膜泵關(guān)鍵件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

圖2 利用ANSYS分析隔膜泵動(dòng)力端連桿的邊界條件圖與結(jié)果圖

ADINA軟件的主要應(yīng)用領(lǐng)域在于非線性（幾何非線性、材料非線性和接觸非線性）計(jì)算。軟件中主要包含四種模塊，分別為結(jié)構(gòu)分析、流體分析、流固耦合分析以及熱機(jī)耦合分析。在隔膜泵設(shè)計(jì)過(guò)程中，凡涉及橡膠件大變形應(yīng)力應(yīng)變分析以及流體及流體—結(jié)構(gòu)件雙向耦合場(chǎng)分析均可利用該軟件進(jìn)行分析。圖3是采用ADINA軟件對(duì)隔膜泵液力端進(jìn)行流固耦合分析的結(jié)果示意圖。

圖3 利用ADINA對(duì)隔膜泵液力端進(jìn)行流固耦合分析的結(jié)果圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)幾種應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的有限元分析軟件進(jìn)行舉例分析，從軟件自身特點(diǎn)的角度闡述了軟件的適用范圍和使用條件。由于隔膜泵產(chǎn)品涉及流體分析和強(qiáng)度分析等多個(gè)場(chǎng)合，因此需要結(jié)合產(chǎn)品關(guān)鍵件使用的具體工況對(duì)號(hào)入座、各取所長(zhǎng)。本文所述有限元分析軟件的應(yīng)用也在一定程度上為同類機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供了參考。