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液力耦合器葉輪有限元分析方法

發布于:2022-05-16 18:47
有限元分析

      近年來,液力耦合器廣泛應用于冶金、礦山、發電、水泥、化工、紡織、船舶等行業,取得了顯著的經濟效益,并有大型化的趨勢。我們最近設計的某液力耦合器傳遞的功率為5702kW,轉速為1084r/min,其外緣的線速度高達81.73m/s,工作輪承受很大的離心力和油壓力,因此強度問題是大功率高轉速液力耦合器的關鍵問題。
      以前受到軟硬件條件的限制,對耦合器葉輪的強度有限元分析長期停留在二維有限元的層次上,三維分析僅嘗試過四分之一輪,邊界條件設置困難,分析結果的準確性不高。本文在流體力學和動力學理論基礎上,對液力耦合器葉輪進行了三維整體有限元分析計算,最后得到葉輪的應力分布情況,在滿足強度要求的前提下為液力耦合器的設計、制造和結構優化提供了可靠的依據。
      (1)幾何模型耦合器的葉輪包括泵輪和渦輪,他們在工作時,泵輪負荷始終大于渦輪(泵輪轉速、功率均大于渦輪),而且渦輪由于輪壁內外工作液體產生的壓力互相抵消,受力較小,因此,在材質和結構尺寸相同的情況下,可只對泵輪進行強度計算。泵輪的三維實體模型如圖1所示。
      (2)主要參數泵輪有效直徑:1287mm泵輪葉片數:23片斜葉片。
      (3)有限元模型。
      為了對泵輪進行比較精確的強度計算,取整個泵輪作為研究對象,采用10節點的四面體單元SOLID92進行網格劃分,每個節點上有三個自由度(x,y,z方向上的位移),利用ANSYS提供的自由網格劃分工具,對實體模型進行自由網格劃分,生成可靠的高質量的實體單元,如圖2所示。
   對邊界約束條件的處理如下:如圖3所示,對面1、面3分別施加X兩個方向的位移約束,對面2施加YZ兩個方向的位移約束,這樣整個的邊界條件處理可大致相當于實際情況下的工況。
耦合器在高速轉動工作時,在泵輪上主要是承受四個方面的作用力。如圖4所示,一是金屬材料在高速轉動時產生的離心力Pv,二是工作液體對型腔內壁的壓力Px,三是工作液體對葉片的作用力Py,四是轉動外殼對泵輪的作用力Pz,這些由傳統的動力計算得到。
      1)軟件中的加載選項可以施加慣性載荷Pv,我們可以通過定義材料密度和旋轉加速度來加載慣性載荷Pv;
      2)工作液體對型腔內壁的壓力Px;
      3)工作液體對葉片的作用力Py;
      4)轉動外殼對泵輪的作用力Pz首先對轉動外殼進行有限元分析計算,得到轉動外殼與泵輪連接處的應力數值,此數值即為轉動外殼對泵輪的壓力Pz。在軟件中對有限元模型可以施加面載荷、慣性載荷和約束。


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