基于ANSYS非線性屈曲的隔膜泵活塞桿有限元分析

楊久寶

（中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽 110141）

隔膜泵系列產(chǎn)品是用于長距離管道化輸送固液兩相介質(zhì)的核心設(shè)備。其工作原理為：電動機(jī)通過減速機(jī)驅(qū)動曲軸、連桿、十字頭，使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動，帶動活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。液力端利用活塞、活塞桿、隔膜運(yùn)動以及進(jìn)出料單向閥開閉完成料漿的輸送工作。活塞桿與動力端中的介桿連接，由卡箍鎖固后,通過與十字頭連動拉動活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，利用油壓推動隔膜使料漿通過隔膜室及進(jìn)出料閥箱吸入和排出。

活塞桿是活塞和十字頭間的連接件，在高壓大流量的三缸單作用隔膜泵中，活塞桿承受全部的活塞推力。因此有必要對活塞桿進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析和穩(wěn)定性分析。本文借助大型通用有限元軟件ANSYS12.0對其進(jìn)行了靜強(qiáng)度和屈曲分析。

1 有限元模型建立

本文對活塞力為600KN的活塞桿進(jìn)行分析。根據(jù)活塞桿的結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn),采用軸對稱模型，以實(shí)體單元plane182單元?jiǎng)澐?，單元網(wǎng)格大小為2，共劃分12886個(gè)單元。圖1為活塞桿網(wǎng)格劃分圖。

2 工況及載荷計(jì)算

3 結(jié)果分析

圖1 活塞桿網(wǎng)格劃分圖

圖2 活塞桿去程應(yīng)力云圖

圖3 活塞桿回程應(yīng)力云圖

圖4 活塞桿屈曲分析載荷及邊界條件

對兩種工況的活塞桿進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。結(jié)果顯示：去程最大應(yīng)力集中在活塞桿與活塞接觸面臺肩下圓角處，且最大等效應(yīng)力為119.658MPa。回程最大應(yīng)力集中在活塞桿與介桿連接端臺肩圓角處，且最大等效應(yīng)力為32.471MPa?；钊麠U材料為42CrMoA,抗拉強(qiáng)度 σb=800MPa,取安全系數(shù)為 3.5，則許用應(yīng)力［σ］=228MPa?？紤]最大活塞力時(shí)活塞桿應(yīng)力小于許用應(yīng)力，說明設(shè)計(jì)能滿足工作的強(qiáng)度要求。對于應(yīng)力集中的位置,可以通過增大連接處的過渡圓角來減小應(yīng)力集中,提高活塞桿的強(qiáng)度（如圖 2、圖3）。

4 非線性屈曲分析

屈曲分析是一種用于確定結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀（結(jié)構(gòu)發(fā)生屈曲響應(yīng)時(shí)的特征形狀）的技術(shù)，非線性屈曲分析是一種典型而且重要的幾何非線性分析。其用于對實(shí)際結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，該方法用一種逐漸增加載荷的非線性靜力分析技術(shù)來求得使結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷。應(yīng)用非線性技術(shù)，模型中可以包括諸如初始缺陷、塑性、間隙、大變形響應(yīng)等特征。

以特征值的屈曲形狀為基礎(chǔ)定義初始幾何缺陷的步驟如下：

（1）建立沒有初始幾何缺陷的模型；

（2）進(jìn)行特征值屈曲分析；

（3）用UPGEOM或UPCOORD命令來施加幾何缺陷；

（4）進(jìn)行非線性屈曲分析。

活塞桿屈曲分析采用BEAM189單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在右端施加1N單位載荷,約束左端所有位移，右端除軸向的所有位移，如圖4所示。圖5是活塞桿屈曲模態(tài)圖，圖6是活塞桿失穩(wěn)變形的載荷位移曲線，由結(jié)果可知，當(dāng)活塞力大于 時(shí)，活塞桿會發(fā)生失穩(wěn)斷裂，而該活塞桿的最大設(shè)計(jì)力為 ,遠(yuǎn)小于活塞桿產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象的最小力，所以活塞桿的設(shè)計(jì)滿足穩(wěn)定性要求（如圖 4、圖 5、圖 6）。

圖5 活塞桿屈曲模態(tài)圖

圖6 活塞桿載荷位移曲線

結(jié)語

（1）本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS對隔膜泵的活塞桿進(jìn)行了靜強(qiáng)度和非線性屈曲分析，得到了活塞桿的應(yīng)力分布云圖、以及失穩(wěn)的臨界載荷。分析表明活塞桿的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求。

（2）本文為隔膜泵桿類零件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供了一種方便可靠的方法，為隔膜泵桿類零件的設(shè)計(jì)和持續(xù)改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

[1]郁永章.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]張勇.高速大功率往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)活塞桿有限元分析 [J].壓縮機(jī)技術(shù)，2010（02）.

[3]馮智睿.隔膜泵介桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析的研究[Z].

[4]張朝暉.ANSYS 8.0結(jié)構(gòu)分析及實(shí)例解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[5]尚小江，邱峰，趙海峰.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級分析方法與范例應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2008.