完美升级版多级注水泵首级叶轮应力分析毕业论文设计.docx

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完美升级版多级注水泵首级叶轮应力分析毕业论文设计

本科毕业论文

题目：

多级注水泵首级叶轮应力分析

学生姓名：

学号：

专业班级：

过程装备与控制工程2008级6班

指导教师：

年月日

多级注水泵首级叶轮应力分析

摘要

油田投入开发以后，随着开采时间的增长，就要不断地消耗油层本身能量，油层压

力就会不断下降，造成地下亏空，为了保持或提高油层压力，必须及时地用注水泵对油田实行配产配注。

叶轮作为多级注水泵的重要部件，对其进行应力及变形分析，为提高多级注水泵的性能，优化叶轮结构，指导设计生产提供参考依据。

本文利用大型有限元软件ANSYS13.0对叶轮结构进行有限元分析，得到了叶轮在各种载荷形式下的应力、应变及变形情况。

结果表明，在各种载荷形式下，叶轮的应力及变形情况均在安全范围内。

关键词：

多级注水泵；叶轮；有限元分析

AnalysisontheStressinFirstStageImpelleroftheMultistageInjectionPump

Abstract

Afteroil-fielddevotiondevelopment,alongwithminetimeofgrowth,willconstantlyconsumeoillayerenergy,thepressureofoillayerwillcontinuetodecline,resultinginthedeficitofunderground.Inordertomaintainorimprovethepressureofoillayer,mustbeinatimelymannerwiththeinjectionpumpontheoilfieldtoreplenishgroundwater.Asanimportantcomponentofthemultistageinjectionpump,stressanddeformationanalysisofitwillbethereferenceofitthattoimprovethepump′sperformanceandtheoptimaldesignofit,alsoguidetheproduction.

Inthispaper,thefiniteelementanalysisismadetothestructureoftheimpellerbyANSYSsoftware,thestressandstrainanddeformationoftheimpelleraregainedundertheload.Fromtheresults,wecanseethattheforceanddeformationoftheimpellerwithinasaferangeunderanyformofload.

Keywords:

multistageinjectionpump,impeller,finiteelementanalysis

第1章绪论1

1.1选题背景1

1.2离心泵叶轮结构有限元分析研究进展1

1.3有限元分析方法2

1.4ANSYS软件简介3

1.4.1ANSYS软件概述3

1.4.2ANSYS软件构成3

1.4.3ANSYS软件提供的分析类型4

1.5本文研究内容5

第2章多级注水泵首级叶轮三维模型结构6

2.1前言6

2.2叶轮主要参数机模型的创建6

第3章各种载荷单独作用下叶轮受力分析8

3.1前言8

3.2离心惯性力单独作用下受力及变形分析8

3.2.1ANSYS软件分析过程8

3.2.2应力结果分析9

3.2.2.1径向应力9

3.2.2.2周向应力9

3.2.2.3轴向应力10

3.2.2.4第一主应力10

3.2.3应变结果分析11

3.2.3.1径向应变11

3.2.3.2周向应变12

3.2.3.3轴向应变12

3.2.3.4第一主应变13

3.2.3变形结果分析13

3.3流道流体压力单独作用下受力及变形分析14

3.3.1ANSYS软件分析过程14

3.3.2应力结果分析15

3.3.2.1径向应力15

3.3.2.2周向应力15

3.3.2.3轴向应力16

3.3.2.4第一主应力16

3.3.3应变结果分析17

3.3.3.1径向应变17

3.3.3.2周向应变17

3.3.3.3轴向应变18

3.3.3.4第一主应变18

3.3.4变形结果分析19

3.4前后盖板外侧压力单独作用下受力及变形分析19

3.4.1ANSYS软件分析过程19

3.4.2应力结果分析20

3.4.2.1径向应力20

3.4.2.2周向应力21

3.4.2.3第一主应力21

3.4.3应变结果分析21

3.4.3.1径向应变21

3.4.3.2周向应变22

3.4.3.3第一主应变22

3.4.4变形结果分析23

3.5圆盘摩擦力单独作用下受力及变形分析23

3.5.1ANSYS软件分析过程23

3.5.2应力结果分析25

3.5.3应变结果分析26

3.5.4变形结果分析26

3.6本章小结26

第4章多载联合作用下叶轮受力分析27

4.1前言27

4.2ANSYS分析过程27

4.3应力结果分析27

4.3.1径向应力27

4.3.2周向应力28

4.3.3径向应力28

4.3.4第一主应力29

4.4应变结果分析29

4.4.1径向应变29

4.4.2周向应变29

4.4.2轴向应变30

4.4.3第一主应变30

4.4变形结果分析31

4.5本章小结31

第5章结论和展望32

5.1结论32

5.1展望32

致谢33

参考文献34

第1章绪论

1.1选题背景

油田投入开发以后，随着开采时间的增长，就要不断地消耗油层本身能量，油层压力就会不断下降，造成地下亏空，为了保持或提高油层压力，必须及时地用注水泵对油田实行配产配注，注水泵运行是否平稳直接影响到是否能保证定时定量的向地下注水，是否能保证油田稳产、高产，因此为了保证油田稳产、高产，必须保证注水泵安全平稳的运行[1]。

叶轮作为将原动机动力转化为流体机械能的重要部件，按其机械结构可分为闭式、半闭式和开式三种[2]。

闭式叶轮适用于输送清洁液体；半闭式和开式叶轮适用于输送含有固体颗粒的悬浮液，这类泵的效率低。

按吸液方式不同可将叶轮分为单吸式与双吸式两种，单吸式叶轮结构简单，液体只能从一侧吸入。

双吸式叶轮可同时从叶轮两侧对称地吸入液体，它不仅具有较大的吸液能力，而且基本上消除了轴向推力。

根据叶轮上叶片上的几何形状，可将叶片分为后弯、径向和前弯三种，由于后弯叶片有利于液体的动能转换为静压能，故而被广泛采用。

本文中所涉及到的多级注水泵叶轮为闭式单吸后弯叶轮，其工作特点是转速高，额定转速为2950r/min，工作压力等级高，达1.4MPa，因此该叶轮是多级注水泵结构分析中的重点。

针对叶轮工作状态下的载荷形式对其进行受力及变形分析，对于提高多级注水泵的性能，优化结构，指导设计生产具有重要意义。

本文采用有限元分析软件ANSYS对多级注水泵叶轮进行静力学分析，以得到其应力及变形结果，找出应力集中点，分析其可靠性，为泵的优化设计提供参考依据。

1.2离心泵叶轮结构有限元分析研究进展

与传统方法相比，用有限元法进行结构分析具有很多优点。

传统方法对叶轮这样具有复杂形状的部件进行强度计算时，只能采用简化和近似的方法，尤其是对于例如叶片端部与前、后盖板交界处这样细微部分进行分析时很难得到精确结论，然而此处往往是应力集中问题发生的区域。

随着ANSYS、ABAQUS等有限元软件的发展，使叶轮这样的复杂模型的有限元分析结果更加精确。

2008年，唐立新[3]等依据FLUENT得出的叶轮流道流体压力分布结果，在ANSYS软件中对某型汽轮机主油泵双吸式叶轮分别在离心惯性力、流道流体压力分别作用及两种载荷耦合作用下进行结构静力学分析，得出叶轮的应力分布及变形结果。

针对应力集中问题进行分析，为叶轮的优化设计提供理论数据依据。

2011年，董晓岚[4]采用流固耦合分析法对离心泵叶轮的强度和刚度进行仿真，采用多帧参照技术对叶轮-蜗壳动静干涉进行模拟。

在FLUENT流体力学分析中，获得叶片和轮毂压力和剪应力分布，使用ABAQUS软件分析叶轮在流道流体压力、剪应力和离心惯性力共同作用下的应力分布及整体变形结果。

针对分析结果分析得出：

相对于压力，剪应力对叶轮变形影响微不足道；叶轮结构在设计工况下结构安全；叶轮最高转速可达到1780r/min。

如果应力却维持在一个较低的水平，离心泵转速提高，叶轮会与蜗壳发生干涉，并在保证叶轮的强度和刚度条件下提出叶轮的改进方案。

2011年，周玉丰[5]以LB50—160型离心泵的叶轮为分析对象，利用ANSYS软件对叶轮在流道流体压力和离心惯性力共同作用下进行应力结果分析，得出应力分布结果及规律，为叶轮盖板的强度计算提供了可靠依据，验证了有限元建模方法和计算方法的正确性，为进行不同类型的有限元分析和优化设计提供了参考。

2011年，王洋[6]等在ANSYSWorkbench软件中，采用单向流固耦合方法对冲压焊接叶轮在流场中的应力及变形情况进行仿真计算。

结果表明，各工况流量下，叶轮应力分布明显不均，并在局部出现应力集中。

叶轮变形的总位移随半径的增大不断变大，并在叶轮边缘达到最大值。

根据仿真模拟结果对提高叶轮可靠性问题提出解决方案，计算结果为冲压焊接叶轮的结构设计及分析提供有效依据。

1.3有限元分析方法

有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。

在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立的点组成的几何模型。

在这种方法中这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限元。

由实际的物理模型中推导出来得平衡方程式被使用到每个点上，由此产生了一个方程组。

这个方程组可以用线性代数的方法来求解。

有限元分析的精确度无法无限提高。

元的数目到达一定高度后解的精确度不再提高，只有计算时间不断提高[7]。

在实践中，有限元分析法通常由三个主要步骤组成[8]：

1、前处理：

用户需建立物体待分析部分的模型，在此模型中，该部分的几何形状被分割成若干个离散的子区域——或称为“单元”。

各单元在一些称为“结点”的离散点上相互连接。

这些结点中有的有固定的位移，而其余的有给定的载荷。

准备这样的模型可能极其耗费时间，所以商用程序之间的相互竞争就在于：

如何用最友好的图形化界面的“前处理模块”，来帮助用户完成这项繁琐乏味的工作。

有些预处理模块作为计算机化的画图和设计过程的组成部分，可在先前存在的CAD文件中覆盖网格，因而可以方便地完成有限元分析。

2、分析：

把预处理模块准备好的数据输入到有限元程序中，从而构成并求解用线性或非线性代数方程表示的系统

式中，u和f分别为各结点的位移和作用的外力。

矩阵K的形式取决于求解问题的类

型，本模块将概述桁架与线弹性体应力分析的方法。

商用程序可能带有非常大的单元库，不同类型的单元适用于范围广泛的各类问题。

有限元法的主要优点之一就是：

许多不同类型的问题都可用相同的程序来处理，区别仅在于从单元库中指定适合于不同问题的单元类型。

3、后处理：

分析的早期，用户需仔细地研读程序运算后产生的大量数字，即列出的模型内各离散位置处的位移和应力。

这种方法容易漏掉重要的趋向与热点，而最新的程序则利用图形显示来帮助用户直接观察运算结果。

典型的后处理模块能显示遍布于模型上的彩色等应力线图，以表示不同的应力水平，显示的整个应力场的图像类似于光弹性法或云纹法的实验结果。

1.4ANSYS软件简介

1.4.1ANSYS软件概述

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

1.4.2ANSYS软件构成

ANSYS软件主要包括三个部分[9]：

前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

其中前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

1.4.3ANSYS软件提供的分析类型

1、结构静力分析：

用来求解外载荷引起的位移、应力和力。

静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。

ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。

　　2、结构动力学分析：

结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。

与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。

ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：

瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。

　　3、结构非线性分析：

结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。

ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。

　　4、动力学分析：

ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。

当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。

　　5、热分析：

程序可处理热传递的三种基本类型：

传导、对流和辐射。

热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。

热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热－结构耦合分析能力。

　　6、电磁场分析：

主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。

还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。

　　7、流体动力学分析：

ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。

分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。

并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。

另外，还可以使用三维表面效应单元和热－流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。

　　8、声场分析程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。

这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。

　　9、压电分析：

用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。

这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。

可进行四种类型的分析：

静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析

1.5本文研究内容

1、学习ANSYS有限元分析软件，掌握模型静力分析方法，熟练应用各种载荷加载方法，能用表面效应单元等方法解决非法向载荷等问题；

2、在ANSYS软件中，分析多级注水泵首级叶轮在离心惯性力、流道流体压力、前后盖板外侧液体压力、圆盘摩擦力等载荷单独作用及耦合载荷作用下的受力及变形情况；

3、比较各种载荷形式下多级注水泵首级叶轮受力及变形结果并进行总结；

4、针对应力集中等问题对多级注水泵首级叶轮安全性进行校核。

第2章多级注水泵首级叶轮三维模型结构

2.1前言

叶轮是水泵的关键过流部件，其制造质量直接影响到水泵性能的好坏以及机组的稳定性。

为了获得性能优良的叶型，传统的方法是先根据模型换算法或速度系数法计算出流道、叶片截线及木模截线，然后根据图纸制成模型，并在试验台上反复试验，最终得出符合要求的叶片形状。

整个过程费时、费力且成本高。

为了解决这一问题，最有效的途径是对水泵叶轮叶片进行三维造型，并通过流场分析来初步得到叶轮内部的压力、速度等分布状况，做出初步的性能分析，从而为模型制造与生产节省成本和时间。

Pro/E软件是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。

Pro/E软件还提供了实体模型和薄壁模型的有限元网格自动生成能力，也就是它自动地将实体模型划分成有限元素，以便有限元分析用，所有参数化应力和范围条件可直接在实体模型上指定，即允许设计者定义参数化载荷和边界条件，并自动生成四边形或三角形实体网格。

载荷/边界条件与网格都直接与基础设计模型相关联，并能像设计时一样进行交互式修改[10]。

基于Pro/E软件的上述特点，本文所分析的多级注水泵首级叶轮三维模型的创建在Pro/E软件中实现。

2.2叶轮主要参数机模型的创建

根据对叶轮实物的测绘数据，以AutoCAD软件为平台，创建叶轮二维模型[11]，得到叶片木模图（如图2-1）及叶轮结构图（如图2-2）。

叶轮的主要设计参数为：

叶片进口直径101mm；出口直径308mm；叶片进口角10°；叶片出口角26°；叶片厚度6mm；叶片包角130°；叶片弦长191.8mm；轮毂厚度8mm；叶片数7；扬程122m；设计流量158m3/h；转速2950r/min。

图2-1叶轮叶片木模图图2-2叶轮结构图

利用已有的叶片水力木模图数据，结合Pro/E软件实现叶片、叶轮及流道的三维实体造型如图2-3所示。

图2-3叶轮三维模型

第3章各种载荷单独作用下叶轮受力分析

3.1前言

多级注水泵在正常工作条件下，主要承受离心惯性力、流道流体压力、前后盖板外侧液体压力、圆盘摩擦力等载荷作用。

在本章中，假设叶轮分别承受上述各种载荷单独作用，在ANSYS软件中，分析叶轮在各种载荷作用下的受力及变形情况，校验叶轮受力及设计合理性。

3.2离心惯性力单独作用下受力及变形分析

3.2.1ANSYS软件分析过程

对叶轮施加离心惯性力进行受力及变形分析，应用结构分析中的体单元，同时叶轮形状较复杂，难以用结构网格进行离散化分析，因此选择与非结构网格相对应的SOLID187号单元[12]，该单元为10节点四面体单元，具有2阶精度，适用于空间结构的弹性、塑性、超弹性、蠕变等结构分析。

在ANSYS中没有规定单位[13]，需要用户自己去定义自己的单位制，本文中单位统一标准为：

长度-mm；时间-s；密度-t/mm3；力-N；弹性模量-MPa；应力-Mpa；角速度-rad/s。

叶轮材质为ZG1Cr13NiMo，材料抗拉极限σb为495MPa，密度取为7.85×10-9t/mm3，弹性模量取为2×105MPa，泊松比取为0.3。

对叶轮实体模型进行网格划分，设置单元尺寸为5，采用自由网格划分方式，共将模型离散为单元84831个，节点151260个，网格划分结果如图3-1所示。

图3-1叶轮网格划分结果

于叶轮轮毂内侧表面施加约束条件，本文中多级注水泵首级叶轮额定转速为ω=2900r/min=303.53rad/s，按照ANSYS转向右手螺旋准则，绕轴向施加上述惯性载荷。

利用软件的通用后处理（POST1）查看模型的有限元计算结果，求解器类型选为PCG。

转换坐标系为极坐标系，设置模型变形放大倍数为3247倍，查看叶轮在离心惯性力作用下的受力及变形情况。

3.2.2应力结果分析

3.2.2.1径向应力

图3-2为在离心惯性力单独作用下的叶轮径向应力分布云图。

从图中可以看出，在离心惯性力单独作用下，叶轮的径向应力主要集中在靠近叶轮入口部分叶片吸力面与后盖板内侧交界处，并由此向叶轮外缘逐渐变小。

最大径向应力为26.89MPa，远小于叶轮材料的强度极限。

图3-2径向应力分布云图

由上图可以看出，径向应力在前、后盖板的分布不同，其中后盖板内侧的径向应力分布明显较前盖板处相应部分大。

3.2.2.2周向应力

图3-3为在离心惯性力作用下的叶轮周向应力分布云图。

周向应力主要集中在叶片压力面与叶轮前盖板内侧交界处。

最大周向应力为17.73MPa，远小于叶轮材料的强度极限。

图3-3周向应力分布云图

由图中可以看出，最大周向应力点不在周向应力主要分布区域，而在叶轮外缘处叶片吸力面与后盖板内侧交界部分，说明此处为叶轮结构因素引起的在离心惯性力作用下的周向应力集中点。

周向应力在前、后盖板的分布是不相同的，其中前盖板内侧的周向应力分布明显较后盖板相应部分大。

3.2.2.3轴向应力

图3-4为在离心惯性力作用下的叶轮轴向应力分布云图。

由图可知，轴向应力主要集中在靠近叶轮入口部分叶片吸力面与后盖板内侧交界处及靠近叶轮出口部分叶片压力面与前盖板内侧交界处，且前者较后者明显。

叶片吸力面与后盖板内侧交界处的周向应力由叶轮中心向外缘逐渐递减，叶片压力面与前盖板内侧交界处的周向应力由叶轮外缘向中心逐渐递减，最大径向应力为22.04MPa，远小于叶轮材料强度极限。

图3-4轴向应力分布云图

由图中可以看出，最大轴向应力点不在轴向应力主要分布区域，而在叶轮外缘处叶片吸力面与后盖板内侧交界部分，说明此处为叶轮结构因素引起的在离心惯性力作用下的轴向应力集中点。

轴向应力在前、后盖板的分布是不相同的，其中后盖板内侧的周向应力分布明显较前盖板相应部分大。

3.2.2.4第一主应力

叶轮材质为铸钢，强度校核时考虑第一强度理论，故使用第一主应力与材料抗拉极限σb相比较，得出叶轮应力安全性结果。

图3-5为在离心惯性力作用下的叶轮第一主应力分布云图。

由图可以看出，在离心惯性力单独作用下，第一主应力主要集中在靠近叶轮入口部分叶片吸力面与后盖板内侧交界处，最大第一主应力为28.29MPa，远小于叶轮材料强度极限。

第一主应力在前、后盖板的分布是不相同的，其中后盖板内侧的周向应力分布明显较前盖板相应部分大。

图3-5第一主应力分布云图

最大第一主应力点不在第一主应力主要分布区域，而在叶轮入口处叶片压力面与前盖板内侧交界部分，说明此处为叶轮结构因素引起的在离心惯性力作用下的第一主应力集中点。

3.2.3应变结果分析

3.2.3.1径向应变

图3-6为在离心惯性力作用下的叶轮径向应变分布云图。

由图可知，在离心惯性力单独作用下，径向应变分布情况与径向应力分布情况相似，主要集中在靠近叶轮入口部分叶片吸力面与后盖板内侧交界处，并由此向叶轮外缘逐渐变小。

在离心惯性力单独作用下，最大径向应变为1.11×10-4mm，远小于叶轮实