基于ANSYS的大型高壓隔膜泵液力端彎管的強度分析與校核

摘 要：彎管是大型高壓隔膜泵液力端的關(guān)鍵部件之一，在液力端分別與進料閥和隔膜室相連接。在彎管的設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮彎管所受螺栓力以及內(nèi)腔流體壓力等因素，對其進行應(yīng)力分析并對分析結(jié)果進行評定，以確保隔膜泵液力端在使用現(xiàn)場的安全性和連續(xù)運轉(zhuǎn)率。本文以煤化工用大型高壓隔膜泵液力端彎管為例，采用有限元分析軟件ANSYS對其進行應(yīng)力分析，根據(jù)ASMEⅧ-2對分析結(jié)果進行校核，分析結(jié)論對彎管及同類承壓部件的設(shè)計與研發(fā)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：大型高壓隔膜泵 彎管 結(jié)構(gòu)改進 ANSYS

中圖分類號：TH323文獻標識碼：A文章編號：1674-098x（2013）04（c）-0085-02

大型高壓隔膜泵作為固-液兩相介質(zhì)輸送的關(guān)鍵設(shè)備，在冶金、石油化工和長距離管道輸送等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用[1]。大型高壓隔膜泵液力端主要由隔膜室、腔體、油缸和彎管等關(guān)鍵部件所組成。其中，彎管由于受到內(nèi)腔壓力和裝配螺栓力的雙重作用，使其在彎管局部位置處產(chǎn)生應(yīng)力集中。因此，在液力端彎管的設(shè)計過程中應(yīng)對其進行應(yīng)力分析與強度校核，以確保其能夠滿足設(shè)計要求以保證其在用戶現(xiàn)場安全、穩(wěn)定的運行。該文采用大型有限元分析軟件ANSYS對大型高壓隔膜泵液力端彎管進行應(yīng)力分析，參考ASMEⅧ-2對應(yīng)力分析結(jié)果分類并進行強度校核，以此為基礎(chǔ)對彎管的結(jié)構(gòu)進行改進，以達到優(yōu)化結(jié)構(gòu)和降本增效的目的，其分析結(jié)論對高壓隔膜泵液力端彎管及類似承壓容器的設(shè)計與改造具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 大型高壓隔膜泵彎管強度分析

1.1 彎管的幾何模型與邊界條件

采用三維幾何建模軟件SolidWorks繪制得到大型高壓隔膜泵液力端彎管的三維幾何模型如圖1所示，彎管所用材質(zhì)為ZG20Mn，其機械性能為σb=510 MPa，σs=295 MPa。使用有限元分析軟件ANSYS對彎管進行強度分析，進而對其結(jié)構(gòu)強度進行優(yōu)化改進。

采用專用前處理軟件對大型高壓隔膜泵液力端彎管三維幾何模型進行前處理，由于該模型為對稱結(jié)構(gòu)，為了降低計算規(guī)模、提高求解效率，在前處理過程中僅對1/2幾何模型進行分析[2]。在彎管前處理過程中應(yīng)修正對結(jié)構(gòu)影響不大的細節(jié)，在網(wǎng)格劃分過程中應(yīng)將曲率較大和易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位進行網(wǎng)格加密處理，單元形式選用三維四面體單元，單元類型為Solid45；共得到節(jié)點43620個，單元35362個。

根據(jù)彎管的實際受力情況定義有限元分析的邊界條件如下：根據(jù)隔膜泵液力端彎管的實際螺栓力將其加載到螺栓孔內(nèi)表面；將工作壓力加載到彎管內(nèi)腔；彎管底面和模型對稱面定義約束（如圖2所示）。

1.2 彎管的強度分析與校核

2 結(jié)語

（1）根據(jù)ASMEⅧ-2中對不同路徑下的不同類型應(yīng)力線性化結(jié)果進行校核可知，該彎管的強度能夠滿足設(shè)計要求。

（2）根據(jù)對該種結(jié)構(gòu)隔膜泵彎管強度分析結(jié)果可以得到最大應(yīng)力值和最大變形值產(chǎn)生的位置，分析結(jié)果可作為該種結(jié)構(gòu)彎管結(jié)構(gòu)改進、改善應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)變形的參考依據(jù)。

（3）從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和降本增效的角度對該結(jié)構(gòu)彎管進行改造，降低彎管壁厚5 mm，依照上述方法對彎管進行強度校核，仍能滿足設(shè)計要求，因此采用有限元分析軟件ANSYS對高壓隔膜泵彎管進行應(yīng)力分析并應(yīng)用ASME應(yīng)力評定體系校核的方法對確保設(shè)備安全性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有一定的理論指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1]凌學(xué)勤.DGMB、SGMB系列往復(fù)式隔膜泵在氧化鋁工藝流程中的應(yīng)用[J].有色設(shè)備，2003（2）.

[2]李大磊，趙玉奇，張志林.SolidWorks高級功能與工程應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2008.

[3]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.