基于UG的葉輪疲勞分析

朱紅波 謝 磊

（1.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000；2.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，河南 鄭州 450000）

統(tǒng)計(jì)資料表明，零件在使用過程中的斷裂，約有60%～80%屬于疲勞斷裂。其特點(diǎn)是斷裂時(shí)應(yīng)力低于材料的抗拉強(qiáng)度或屈服極限。不論是脆性材料還是延性材料，其疲勞斷裂在宏觀上都表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性斷裂。疲勞計(jì)算是基于結(jié)構(gòu)裂紋損傷積累的原理，根據(jù)應(yīng)力-壽命（S-N）曲線圖或者應(yīng)變-壽命（E-N）曲線圖來評估零件的疲勞壽命，計(jì)算過程中將輸入數(shù)據(jù)處理成峰頂或者峰谷，對循環(huán)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而計(jì)算出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命［1］。

1 問題描述

葉輪是離心式水泵的主要部件。其作用是將電動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能傳遞給水，主要是靠離心力的作用把能量傳遞給水，以提高水的壓力能和動(dòng)能。圖1 為閉式葉輪結(jié)構(gòu)示意圖，主要由前盤、后盤、葉片和輪轂組成，由灰口鑄鐵或鑄鋼鑄造加工而成。D型泵葉輪葉片數(shù)目一般為5～7片，并采用后彎扭曲葉片，以減小動(dòng)壓增大靜壓。葉輪的制造和加工精度對水泵的效率有重要的影響，是水泵的易損件。

圖1 葉輪

2 葉輪疲勞仿真分析

2.1 創(chuàng)建有限元模型

依次單擊高級仿真命令，在仿真導(dǎo)航器窗口的分級樹中，單擊葉輪模型文件對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行新建FEM相關(guān)操作；彈出的新建FEM對話框，默認(rèn)求解器和分析類型中的選項(xiàng)，即可創(chuàng)建有限元模型。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 指派材料屬性及劃分網(wǎng)格

給有限元模型指派材料為Iron_Cast_G40，密度：7.15e-006，楊氏模量：14000，泊松比：0.25，屈服強(qiáng)度：345MPa，極限抗拉強(qiáng)度：570MPa，疲勞強(qiáng)度系數(shù)：645 MPa，疲勞強(qiáng)度指數(shù)：-0.078，疲勞韌性系數(shù)：0.037，疲勞韌性指數(shù)：-0.457。創(chuàng)建3D 網(wǎng)格收集器：Solid（1）。對模型創(chuàng)建3D四面體10節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格，單元格系統(tǒng)自動(dòng)指派大小為22.1mm。為了分析的精確性和后處理的需要。手動(dòng)指派網(wǎng)格大小為4mm，對網(wǎng)格精細(xì)劃分。網(wǎng)格收集器手動(dòng)選擇為Solid（1），然后其他選項(xiàng)保存默認(rèn)。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2 所示，網(wǎng)格類型：3D，網(wǎng)格中的單元數(shù)：125509，網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)數(shù)：221863。對有限元模型網(wǎng)格劃分進(jìn)行質(zhì)量檢查，結(jié)果：0個(gè)失敗，0個(gè)警告，說明網(wǎng)格劃分質(zhì)量很高，符合要求。

2.3 創(chuàng)建仿真模型與解算方案

在仿真導(dǎo)航器中，右擊fem 文件節(jié)點(diǎn)，新建sim 仿真文件，在模板列表中選擇NX NASTRAN，默認(rèn)其他的選項(xiàng)設(shè)置。在解算方案欄下保持求解器為NX NASTRAN，分析類型為結(jié)構(gòu)，解算方案類型選擇SOL 101 Linear Statics-Global Constraints，同時(shí)激活單元迭代求解器；激活啟用STRAIN（應(yīng)變）請求選項(xiàng)［2-3］。

2.4 施加邊界條件和約束

在仿真導(dǎo)航器里面選擇sim節(jié)點(diǎn)作為工作部件，對葉輪模型軸內(nèi)孔施加用戶定義約束，選擇圓柱坐標(biāo)系，對DOF1、DOF2、DOF3設(shè)定為固定，其他自由度保持默認(rèn)設(shè)置。對模型施加離心載荷，角速度為1480r/min；然后在模型的7個(gè)葉片上施加2MPa的壓力載荷。

2.5 方案求解及后處理

對方案進(jìn)行求解，迭代求解器收斂，對分析質(zhì)量進(jìn)行檢查，可信度為90%。得到單元節(jié)點(diǎn)的馮氏應(yīng)力云圖，如圖3所示，由應(yīng)力云圖可知，最大馮氏應(yīng)力值為227.47MPa，主要集中于葉輪入水口葉片與輪轂交匯處，局部區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，且最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度值345MPa，說明材料受載變形還處于彈性變形階段。

圖3 單元節(jié)點(diǎn)的馮氏應(yīng)力云圖

圖4 單元節(jié)點(diǎn)疲勞壽命云圖

2.6 疲勞分析

下面在上述結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，按照疲勞分析操作流程，依次選取應(yīng)力準(zhǔn)則、疲勞壽命準(zhǔn)則，定義激勵(lì)類型，計(jì)算結(jié)構(gòu)在該工況條件下的疲勞壽命，通過各種結(jié)果顯示方式，來評估該結(jié)構(gòu)的疲勞性能。

新建解算方案，選擇耐久性命令。默認(rèn)耐久性求解過程名稱為Durability 1。右鍵單擊仿真節(jié)點(diǎn)Durability 1，選擇新建事件下的靜態(tài)耐久性事件，默認(rèn)事件名稱為Static Event 1 及靜態(tài)解列表為Solution 1-SOL 101 SCS。激勵(lì)類型下強(qiáng)度、軸搜索和解算選項(xiàng)標(biāo)簽下內(nèi)容保存默認(rèn)；疲勞標(biāo)簽下，疲勞壽命輸出下，疲勞安全系數(shù)輸出選擇Cerber，其他保存默認(rèn)。

新建激勵(lì)，默認(rèn)名稱Load Pattern 1，圖樣選擇完全單位周期，其他保持默認(rèn)。求解得單元節(jié)點(diǎn)疲勞壽命云圖，如圖4 所示，可以看出最大工作壽命為1.0E+036個(gè)工作周期，最小工作壽命為1.35E+006個(gè)工作周期，可以看出，靠近葉片與輪轂交匯處區(qū)域上的壽命最小，也就是意味著這些區(qū)域容易遭受疲勞破壞；得單元節(jié)點(diǎn)疲勞安全系數(shù)云圖，如圖5所示，最大安全系數(shù)值為4.91E+003，最小安全系為0.078，在最小安全系數(shù)區(qū)域結(jié)構(gòu)最容易產(chǎn)生裂紋和破壞；得單元節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度安全系數(shù)云圖，如圖6 所示，強(qiáng)度安全系數(shù)最大值為5 790.77，強(qiáng)度安全系數(shù)最小值為2.72，從圖3 和圖6 對比可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度安全系數(shù)越小的區(qū)域，載荷作用過程中的應(yīng)力水平越高，在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要注意，由于最小安全系數(shù)為2.72，表明葉輪整體強(qiáng)度滿足設(shè)置工況的要求。

圖5 單元節(jié)點(diǎn)疲勞安全系數(shù)云圖

圖6 單元節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度安全系數(shù)云圖

3 結(jié)語

本文在解算結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)應(yīng)力和應(yīng)變響應(yīng)值基礎(chǔ)上，創(chuàng)建耐久性分析方案，采用無限壽命法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞壽命設(shè)計(jì)，選取合理的疲勞壽命準(zhǔn)則，計(jì)算了在工況壓力和轉(zhuǎn)速下的結(jié)構(gòu)疲勞壽命，通過多種評價(jià)指標(biāo)預(yù)估了模型的疲勞性能。

［1］劉婕.流體機(jī)械［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2012.

［2］胡仁喜，康士廷.UG NX8.5 動(dòng)力學(xué)與有限元分析從入門到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［3］沈春根，王貴成，王樹林.UG NX7.0有限元分析從入門與實(shí)例精講［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.