雙吸式離心泵的三維造型及其抗震性能分析

　　現(xiàn)代水泵數(shù)值模擬和分析技術(shù)都是以水泵的全三維造型為基礎(chǔ)，因而研究水泵的全三維造型具有重要的意義。在傳統(tǒng)的泵強(qiáng)度和抗震性能分析中，一般都采用殼單元，按統(tǒng)一的厚度進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，但實(shí)際上泵殼各部分的厚度是不均勻的，因此使用統(tǒng)一厚度的殼單元對(duì)泵進(jìn)行計(jì)算分析是一種近似，這就勢(shì)必會(huì)影響分析結(jié)果的精度。

　　雙吸式離心泵具有渦室形狀復(fù)雜，多流道等特征，其三維造型和性能分析涉及到的問題較多，在泵的三維造型和分析中具有普遍性。本文針對(duì)某型號(hào)雙吸式離心泵進(jìn)行了全三維造型，并按照有關(guān)規(guī)范要求對(duì)其進(jìn)行了抗震性能分析。分析結(jié)果表明，該泵能夠滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

1、泵的使用情況

　　該泵為單級(jí)、雙吸、中開式離心泵，泵體和電動(dòng)機(jī)分別通過4個(gè)M36的螺栓固定于機(jī)座上，泵吸入和吸出口方向均為水平軸向。額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，設(shè)計(jì)壓力為O.8MPa，介質(zhì)溫度為45℃。泵體材料為18Cr8Nio泵機(jī)組安裝于地下室一7.5m標(biāo)高上，水泵安全等級(jí)為3級(jí)，電動(dòng)機(jī)安全等級(jí)為1E級(jí)，泵/電機(jī)機(jī)組的抗震類別為Ⅰ類。

2、三維模型的建立

　　為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文使用PrO/E軟件根據(jù)制造廠商提供的實(shí)際泵尺寸，建立了和實(shí)際泵完全一致的全三維模型。三維造型中的關(guān)鍵是曲線曲面的數(shù)學(xué)表述問題，在該雙吸式離心泵三維造型中，采用了非均勻有理化B樣條的方法。

　　建立泵體輪廓模型時(shí)，首先利用描點(diǎn)法生成各截面上的關(guān)鍵點(diǎn)，然后利用NURBS法生成截面的輪廓，最后運(yùn)用掃描成型功能得到泵體模型，泵的入水口和出水口部分采用簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)生成。圖1為根據(jù)圖紙建立的泵體全三維模型。

3、有限元分析

　　(1)有限元網(wǎng)格的劃分。實(shí)體建模后，將模型導(dǎo)入有限元前后處理軟件MSC/MARC中，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，單元類型為八節(jié)點(diǎn)四面體單元，共有16724個(gè)單元，26183個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖2所示。它包含了泵體和出入口法蘭。泵體內(nèi)的水的質(zhì)量被平均分配到泵體上。

　　(2)載荷約束條件。泵模型的底座與一塊鋼板剛性相連，在泵內(nèi)部存在著大小為0.8MPa的內(nèi)壓，入口和出口的法蘭面上承受螺栓預(yù)緊力，螺栓預(yù)緊力包括密封法蘭所需的力和平衡內(nèi)壓所需的力，而且在法蘭密封面上承受密封所需的力。

　　在泵的出水口和入水口各有一組接管力，接管載荷的大小如表1所示。對(duì)于接管力的施加，其力的部分，采用對(duì)法蘭平面上的結(jié)點(diǎn)平均分配力的方法進(jìn)行施加。而對(duì)于接管力的力矩部分，以力偶形式加在結(jié)點(diǎn)上。

　　對(duì)于地震載荷的施加，可以根據(jù)泵安裝廠房一7.5m標(biāo)高的SSE地震樓層譜進(jìn)行確定，使用時(shí)應(yīng)再乘以1.5的系數(shù)。其反應(yīng)譜最大加速度X方向?yàn)?.8g，Y方向?yàn)?.8g, Z方向?yàn)?.5g， g為重力加速度，為9.8m/s2。在實(shí)際計(jì)算中，3個(gè)方向都按1.5g給定，這樣計(jì)算結(jié)果就偏于保守。

　　(3)計(jì)算結(jié)果分析。首先進(jìn)行模態(tài)分析，分析得到第一階整體振動(dòng)模態(tài)的頻率為54Hz，超過33.4Hz，故知設(shè)備為剛性結(jié)構(gòu)。因此泵體的抗震分析可以采用等效靜力法進(jìn)行分析。

　　泵體的Tresca應(yīng)力分布和變形狀況如圖3、4所示，由分析結(jié)果可見，泵體大部分Tresca應(yīng)力在3.5～10MPa范圍內(nèi)，只是在兩側(cè)的約束點(diǎn)處Tresca應(yīng)力達(dá)到了53.1MPa，這是約束導(dǎo)致的應(yīng)力集中，屬于二次應(yīng)力加峰值應(yīng)力。如果不考慮應(yīng)力集中，泵體最大Tresca應(yīng)力為了31MPa。泵體的最大變形為0.08mm，發(fā)生在入口法蘭邊緣。

　　入口法蘭的Tresca應(yīng)力分布如圖5所示，由分析結(jié)果可見，入口法蘭最大Tresca應(yīng)力為53.1MPa，發(fā)生在施加接管載荷點(diǎn)上，這是約束導(dǎo)致的應(yīng)力集中，屬于二次應(yīng)力加峰值應(yīng)力。除了這些點(diǎn)，大部分Tresca應(yīng)力為3.5~9 MPa左右。

　　出口法蘭的Tresca應(yīng)力分布如圖6所示，出口法蘭最大Tress。應(yīng)力為30 MPa，發(fā)生在施加接管載荷點(diǎn)上，這也是約束導(dǎo)致的應(yīng)力集中。除此之外大部分Tresca應(yīng)力為5-9 MPa左右。

　　由以上結(jié)果可知，泵體、入口法蘭、出口法蘭在自重，接管載荷，螺栓預(yù)緊力和地震載荷同時(shí)作用下都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的應(yīng)力極限值133 MPa，該泵的承壓部分滿足ASME3級(jí)部件的要求，因此滿足了在地震下的結(jié)構(gòu)和受壓邊界完整性要求。

4、結(jié)論

　　(1)分析表明。該泵的動(dòng)力學(xué)性能對(duì)抗震性能影響較小，可用等效靜力的方法分析抗震性能。

　　(2)有限元分析計(jì)算結(jié)果表明泵體所有節(jié)點(diǎn)應(yīng)力均遠(yuǎn)小于ASME規(guī)范的要求，變形量也在要求的范圍之內(nèi)。

　　(3)計(jì)算中采用了放大加速度值的做法來(lái)提高地震力，計(jì)算結(jié)果表明應(yīng)力能夠滿足要求，證明該泵不僅能滿足地震條件下壓力邊界的完整性，而且能滿足可運(yùn)行性的要求。