离心水泵叶轮工作曲面有限元分析及优化设计

论文摘要

随着工农业的发展,泵的应用范围不断扩大。对泵的水力特性和运行稳定性要求越来越高。离心泵叶轮是离心水泵的重要过流部件,其工作性能、效率直接影响着离心泵的工作性能。叶轮在工作状态下受离心力和水压力的共同作用,其受力状况复杂。传统的设计方法工作量大、效率低。随着数值模拟技术和有限元分析法在叶轮机械领域的应用,为结构设计及内部流场分析提供了依据。本文以一个中高比转数的离心泵为对象研究了叶轮内流场模拟、叶轮的ANSYS静力和模态分析以及叶轮几何参数优化。首先在UG中进行叶轮实体的三维建模,将模型进行网格划分,并利用计算流体动力学(CFD)技术得到了离心泵叶轮内部流动的压力、速度分布和叶片上的压力分布状况。通过ANSYS进行静力和模态分析。最后用遗传算法工具箱优化了叶轮的几何参数。通过离心泵的木模图建立了叶轮的三维实体模型,采用曲面工具分析了叶轮叶片的曲面质量,使叶轮的造型更加的合理准确,提高了叶轮设计的效率。介绍了离心泵内部流动数值模拟的理论和方法,在GAMBIT中对叶轮进行网格划分和边界条件设定。使用FLUENT软件对离心泵内部流场进行求解,准确得到了离心泵内部流动的压力、速度分布情况,输出了分布于叶片上的压力数据。针对以水为介质的离心水泵叶轮的强度和模态分析的还比较少,本文采用ANSYS的APDL程序语言把流场分析输出的压力数据加载到叶片上,实现了离心泵的流固耦合分析,并进行了叶轮静力分析和模态分析,得到了水压力和离心力作用下叶轮的应力应变情况及频率特性,计算结果表明设计工况下叶轮工作可靠。建立了以叶轮的圆盘摩擦损失、水力损失和容积损失最小为目标函数,编写了目标函数的M文件,确定了优化变量的取值范围,使用Matlab的遗传算法工具箱对叶片的进口、出口角和出口宽度进行了优化,经理论反算效率比优化前提高了2.3%。本文将数值模拟技术和有限元分析法相结合应用于叶轮结构设计分析,对提高叶轮的安全性与可靠性,缩短设计周期,降低成本具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 离心泵设计技术的发展现状
• 1.2.2 离心泵设计技术的发展趋势
• 1.3 研究内容和技术路线
• 第二章 离心泵叶轮的三维造型
• 2.1 Unigraphics NX 软件
• 2.2 结构模型和流体模型
• 2.2.1 理论基础
• 2.2.2 叶片的三维建模
• 2.2.3 曲面质量检测
• 2.2.4 叶片实体造型
• 2.2.5 叶轮模型和流体模型
• 2.3 小结
• 第三章 离心泵内部流动的数值模拟
• 3.1 FLUENT 软件
• 3.2 数值求解的理论基础
• 3.2.1 CFD 的求解过程
• 3.2.2 流体力学基本方程组
• 3.2.3 数值模拟的离散方法
• 3.2.4 FLUENT 求解方法
• 3.2.5 湍流模型
• 3.2.6 边界条件类型
• 3.3 模型的建立及网格输出
• 3.3.1 计算模型及网格划分
• 3.3.2 边界条件的设置及网格输出
• 3.4 叶轮内部的流态及分析
• 3.4.1 FLUENT 模拟泵内部流动的基本步骤
• 3.4.2 FLUENT 后处理结果及分析
• 3.4.3 流场数值模拟结果输出
• 3.5 小结
• 第四章 叶轮工作曲面有限元分析
• 4.1 有限元方法及ANSYS 软件
• 4.1.1 有限元方法
• 4.1.2 ANSYS 有限元分析软件
• 4.1.3 ANSYS 参数化语言APDL
• 4.2 叶轮有限元模型
• 4.3 叶轮流固耦合分析理论
• 4.4 结构静力分析
• 4.4.1 叶轮结构静力学分析的有限元方程
• 4.4.2 有限元网格划分
• 4.4.3 有限元模型的生成
• 4.4.4 定义边界条件和载荷施加
• 4.4.5 计算结果及分析
• 4.5 模态分析
• 4.5.1 叶轮模态分析
• 4.5.2 计算结果
• 4.5.3 结果分析
• 4.6 小结
• 第五章 离心泵叶轮的目标优化设计
• 5.1 目标函数确定
• 5.1.1 机械损失
• 5.1.2 容积损失
• 5.1.3 水力损失
• 5.2 实例计算参数和约束条件的确定
• 5.2.1 实例计算的参数
• 5.2.2 约束条件的确定
• 5.3 基于Matlab 遗传算法工具箱优化
• 5.4 结果分析
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简介