一、葉輪強度分析的必要性

葉輪是泵的核心部件，工作時葉片上承受著流體的反作用力，葉片自重及旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，液流對葉片產(chǎn)生的摩擦力。由于葉片的特殊形狀，葉片根部與柄的連接處產(chǎn)生了比較大的集中應(yīng)力。如葉片設(shè)計過厚，雖可降低葉片根部的集中應(yīng)力，但也降低了泵的水力性能，同時也不符合經(jīng)濟性原則；若設(shè)計過薄，葉片根部容易產(chǎn)生裂紋，強度計算可校驗葉片根部在彎矩和扭矩聯(lián)合作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力是否滿足強度要求。許多科研人員對葉輪葉片的應(yīng)力做了大量的探索，并得到了很多計算方法，如常規(guī)簡化計算法、二次計算法、迭代法、有限元法等等。而近年來，有限元分析方法在水泵研究方面有了很多的應(yīng)用。借助有限元fxrj對廣一水泵葉輪強度進行校核，求得葉片上的應(yīng)力分布情況，合理確定葉片厚度

二、葉輪強度分析

1、建模與網(wǎng)格處理

利用SolidWorks對葉輪完成建模，模型如圖1所示。用實體四面體單元對模型進行網(wǎng)格劃分。水泵葉輪材料為鑄造不銹鋼，輸入相關(guān)材料屬性，方法在此不再累述。

2、載荷與約束

泵葉片是空間形狀，厚度沿著弦長方向分布不均勻，葉片表面各點的水壓力也不同，隨著CFD軟件的高速發(fā)展，流體計算軟件能夠很好的模擬出水泵葉片表面各點所受的壓力。

目前CFD軟件主要有兩大類，一類為專業(yè)的流體fxrj如CFX、Fluent、FlowMaster、PHOENICS軟件等，另一類為三維CAD軟件中的流體分析插件，如SolidWorks軟件集成的流體分析插件FlowSimulation，兩類軟件優(yōu)劣比較如下所述。

專業(yè)fxrj功能強大、在泵行業(yè)中應(yīng)用廣泛，成功案例較多，借鑒的資料與經(jīng)驗較多，很多的學(xué)者使用該類軟件計算葉輪的內(nèi)部流動，如http://.運用PHOENICS軟件計算了離心泵葉輪內(nèi)部的三維紊流，并把計算結(jié)果與LDV的測量進行對比，用Fluent進行離心泵內(nèi)流場的數(shù)值模擬等；但這類軟件往往操作復(fù)雜、很難為一般設(shè)計人員掌握。

而集成的流體分析插件功能相對專業(yè)軟件來說偏弱、操作方便簡單、使用者無需大量的專業(yè)背景和培訓(xùn)就可掌握，可供一般的水泵設(shè)計人員使用，作為設(shè)計時的借鑒與依據(jù)。且由于軟件的集成性，流體分析的結(jié)果可直接導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析中實現(xiàn)流固耦合，作為設(shè)計時的借鑒與依據(jù)。

在實際中，企業(yè)可根據(jù)自身的情況選擇合適的流體fxrj。利用流體仿真技術(shù)得到的葉片表面壓力分布情況，將其結(jié)果文件(.fid)直接導(dǎo)入到Simulation中，實現(xiàn)流固耦合分析。導(dǎo)入圖1所示。

當(dāng)然對于某些企業(yè)缺乏流體fxrj及相關(guān)流體分析經(jīng)驗時只能通過經(jīng)驗公式換算進行施加，可能會導(dǎo)致得不到j(luò)q的解，故經(jīng)驗估算的方法不推薦。

斜流泵為旋轉(zhuǎn)機械，葉輪工作時繞泵軸定速旋轉(zhuǎn)，將產(chǎn)生離心力，其方向與泵軸方向垂直，其大小與水泵的轉(zhuǎn)速、葉片半徑及葉輪材質(zhì)有關(guān)。對其施加離心力載荷，輸入泵的工作轉(zhuǎn)速，如圖2所示。

同時可在分析時考慮重量的影響，選擇“引力”載荷，輸入重量加速度“9.8m/s2”，方向朝下。假設(shè)葉輪與轉(zhuǎn)軸連接位置的面固定，限制該面6個自由度。

3、結(jié)果分析

葉輪{zd0}VonMises應(yīng)力為93.IMPa，位于葉片的外側(cè)邊緣處。屈服應(yīng)力為240MPa，安全系數(shù)約為2.58。通常http://.葉輪安全系數(shù)約為2?3,基本滿足強度要求。

除要了解葉輪的合位移外，還需要了解水泵葉輪徑向位移量，以確定葉輪與轉(zhuǎn)軸間的間隙，葉輪合位移、徑向位移。從應(yīng)力、位移結(jié)果來看，該葉輪基本滿足強度、剛度要求。

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