轴流泵结构强度有限元分析

论文摘要

船用轴流泵装置是一种高比转速的水泵,该泵主要功能是供应冷却循环水。为了保证轴流泵正常工作,本文针对轴流泵主要部件进行结构强度有限元分析。以某船用轴流泵结构测绘数据为输入条件,采用Pro/E对轴流泵主要的31个部件的进行实体建模及装配,并无损地转化为ANSYS有限元模型。叶轮和导向器的反设计是以三维坐标测量仪测得的实际模型数据为依据,采用水力设计叶型的方法完成的,准确地实现了轴流泵整体模型的重构,保证轴流泵三维数据的完整。对正常工作状态下的轴流泵的泵体、泵轴、叶轮进行结构强度有限元分析,包括实体单元的选取、网格划分、施加的边界条件和约束、以及计算求解等,计算结果通过云图表现出来,直观全面地了解应力和应变的分布情况。为了保证安全性和可靠性,进行了常规的强度校核计算,通过比较分析常规计算结果与有限元分析结果,共同验证了轴流泵的泵体、叶轮、泵轴完全满足设计要求。由于传统强度校核公式是建立理想模型的基础上,存在近似误差。本文通过三维建模,分别提取叶片的重心位置、叶片的惯性矩、叶片的截面面积等数据解决了这一问题。另外,鉴于传统算法只能把叶片简化为悬臂梁振动问题,忽略了轮毂对叶片的影响。本文采用ANSYS软件进行叶轮的模态分析,计算了叶轮整体振动的固有频率,通过与轴流泵的激振频率比较,证明了不会引发共振现象。最后根据有限元分析结果,实现了对泵壳体在质量和结构上的优化,同时验证了轴流泵结构强度的安全可靠。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 轴流泵国内外研究现状
• 1.2.1 轴流泵水力模型的研究现状
• 1.2.2 轴流泵结构强度FEM的研究现状
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第2章 基于Pro/E的反求三维建模
• 2.1 Pro/E软件简介
• 2.2 反求工程概述及实物反求的特点
• 2.2.1 反求工程工作流程
• 2.2.2 实物反求的特点
• 2.3 NURBS曲线、曲面基础
• 2.3.1 NURBS曲线、曲面的性质
• 2.3.2 权因子在NURBS中的作用
• 2.4 基于Pro/E的轴流泵的反求设计
• 2.4.1 轴流泵叶轮叶片的反设计
• 2.4.2 轴流泵导向器叶片的反设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 轴流泵的结构静态特性分析
• 3.1 轴流泵有限元分析基本理论
• 3.1.1 应力弹性分析及基本理论
• 3.1.2 机械结构静态有限元法
• 3.1.3 ANSYS软件简介
• 3.2 船用轴流泵的工作原理
• 3.3 工况背景及研究内容分析
• 3.4 泵体的结构有限元分析
• 3.4.1 单元类型选择
• 3.4.2 材料属性
• 3.4.3 有限单元网格的划分
• 3.4.4 泵体载荷和约束
• 3.4.5 泵体结果分析
• 3.4.6 泵体强度综合分析小结
• 3.5 泵轴的结构有限元分析
• 3.5.1 泵轴的前处理
• 3.5.2 泵轴的结果分析
• 3.5.3 泵轴强度校核计算
• 3.5.4 泵轴强度综合分析小结
• 3.6 叶轮的结构静力分析
• 3.6.1 叶轮的前处理
• 3.6.2 叶轮的结果分析
• 3.6.3 叶轮强度校核计算
• 3.6.4 叶轮强度综合分析小结
• 3.7 本章小结
• 第4章 轴流泵叶轮的动态特性分析
• 4.1 机械结构动态特性分析
• 4.2 模态分析概述
• 4.3 叶轮的有限元模态计算
• 4.4 计算结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 轴流泵壳体结构的改进方案
• 5.1 泵壳体减重的优化方案
• 5.2 泵壳体减小局部应力集中的优化方案
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢