轴流泵叶片应力与模态分析

论文摘要

随着国民经济的发展,尤其是南水北调工程的上马,国家需要兴建一批大型的泵站用于调水,轴流泵由于具备流量大扬程低的特点,在南水北调东线工程中被广泛采用。然而近年来,在泵站运行中有时会出现水泵叶片出现裂纹甚至断裂的事故,对国民经济造成不必要的损失。尤其对于大型泵站来讲,其造成的后果更为严重。叶片的断裂主要是由于水泵在运行过程中叶片受到的激振力引起的疲劳破坏或者是共振引起的共振破坏。因此,采用数值模拟技术在水泵设计阶段准确计算水泵叶片的动静态特性参数,对于改进叶片设计、实现水泵安全运行具有十分重要的意义。模态分析用于确定设计结构或部件的振动特性,即结构的固有频率和振型,它们是承受动荷载结构设计的重要参数。本文以轴流式水泵叶轮为研究对象给出了叶轮模态分析的数学模型,并介绍了循环对称模态分析方法。在Pro/E中完成了叶轮模型的建立,然后将其导入ANSYS中进行网格划分。通过ANSYS自带的APDL语言完成了叶片水压力的加载。计算了叶片受到不同工况水压力作用下的应力分布情况。发现叶片根部两侧存在明显的集中应力,叶片最大应力出现在水泵叶片根部的进水侧,最大位移出现在叶片的外缘。分别计算了轴流泵模型叶轮在空气中的固有模态以及在受到离心力作用后的预应力模态。计算结果表明:离心力会增加叶轮的固有频率,但增加的幅度非常小,可以忽略不计;完成了叶轮在空气中的固有频率的测试,测试结果表明数值计算结果是可信的;通过对原型泵叶轮的模态分析,发现固有频率与叶频的关系与模型泵叶轮相似,说明通过模型泵叶轮的模态分析可预测原型泵的工作状况。研究成果对提高水泵设计和运行的可靠性具有指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景、目的和意义
• 1.1.1 课题研究的背景
• 1.1.2 课题研究的目的
• 1.1.3 课题研究的意义
• 1.2 ANSYS 在研究叶片强度与振动方面的现状
• 1.3 研究的主要内容
• 1.4 研究的主要方法
• 2 有限元原理与ANSYS 简介
• 2.1 有限元原理
• 2.1.1 有限单元法的发展
• 2.1.2 有限单元法基本原理及特点
• 2.1.3 有限单元法的分析步骤
• 2.2 ANSYS 软件简介
• 2.2.1 ANSYS 程序的特色
• 2.2.2 ANSYS 的模块
• 2.2.3 ANSY 参数化语言APDL 简介
• 3 叶轮模态分析的理论基础
• 3.1 概述
• 3.2 振动的类型
• 3.3 振动基本物理参数
• 3.4 结构系统的动力方程
• 3.5 质量矩阵和阻尼矩阵
• 3.5.1 单元质量矩阵
• 3.5.2 阻尼矩阵
• 3.6 结构系统的自由振动
• 3.7 大型特征值求解方法——兰佐斯（LANCZOS）法
• 3.7.1 概述
• 3.7.2 兰佐斯法的原理和计算步骤
• 3.7.3 兰佐斯法实用中的有关问题
• 3.8 循环对称结构的运动方程
• 3.8.1 循环对称结构
• 3.8.2 循环对称结构的运动方程
• 4 轴流泵叶片有限元分析的前后处理
• 4.1 ANSYS 中的静力与模态分析概述
• 4.2 循环对称结构的模态分析
• 4.3 水泵叶轮实体模型的建立
• 4.4 水泵叶轮有限元模型的建立
• 4.4.1 单元选择
• 4.4.2 网格划分方法
• 4.5 叶片荷载的施加与求解
• 4.5.1 荷载概念和类型
• 4.5.2 荷载的施加方式
• 4.5.3 求解方法的选择
• 5 轴流泵叶片应力分析实例
• 5.1 计算模型
• 5.2 叶片荷载施加
• 5.3 计算结果
• 5.4 结果分析
• 6 轴流泵叶片模态分析实例
• 6.1 固有模态分析
• 6.1.1 计算结果
• 6.1.2 结果分析
• 6.2 预应力模态分析
• 6.2.1 计算结果
• 6.2.2 结果分析
• 6.3 模态测试
• 6.3.1 测试设备简介
• 6.3.2 测试原理及方法
• 6.3.3 结果比较与分析
• 6.4 比尺对叶轮固有模态的影响
• 7 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢