隔膜泵橡膠隔膜和流體的流固耦合分析

張世義 周偉 符義紅 陳平偉

摘 要：為了解決往復式隔膜泵橡膠隔膜易局部破裂或者損壞的問題，對隔膜泵的橡膠隔膜和流體進行流固耦合分析。建立橡膠隔膜三維模型，同時從隔膜泵模型中抽出流體模型，將流體模型加到橡膠隔膜上進行流固耦合分析，得到不同流體速度下的橡膠隔膜的位移變化和壓力變化圖。結果表明：在流體速度較小時，橡膠隔膜易破壞的區(qū)域集中在很小的區(qū)域，而且壓力值相對較大;流體速度較大時橡膠隔膜易被破壞的區(qū)域集中在較大的區(qū)域，壓力的最大值較小。

關鍵詞：隔膜泵;橡膠隔膜;流體;流固耦合

隔膜泵的液壓油和輸送漿體被橡膠隔膜把隔離開來，使輸送的漿體外漏較少，同時解決了漿體中的高腐蝕性、高磨礪性的顆粒性介質對隔膜泵體造成損壞[1]。橡膠隔膜使用壽命直接影響隔膜泵的性能和工作效率，而隔膜是在封閉的隔膜室內往復運動的，所以想要通過實驗測試隔膜工作時的受力及變形狀況不易實現(xiàn)。因此有必要采用有限元分析的方法對橡膠隔膜的工作過程進行流固耦合分析，研究隔膜工作時所受的壓力及位移變化情況以指導隔膜的設計。目前，不考慮流體對隔膜作用的單純隔膜結構件的有限元分析已有不少研究成果[2-3]，但對于考慮隔膜真實工作時候流體影響的流固耦合研究卻較少[4-8]，孫婉婷[9]等分析了往復式液壓隔膜泵系統(tǒng)流量脈動成因，在泵的排出管線上增加脈動緩沖裝置，并在泵的介質吸入管線上增加吸入紊流裝置，設計了往復式液壓隔膜泵流量脈動消減系統(tǒng);張洪生[10]等進行了隔膜泵液力端的動態(tài)數(shù)值模擬，從而為進一步研究隔膜泵的流體的特性提供一種方法，但是該研究對隔膜大變形特性考慮不足;舒綺偉[11]針對往復式液壓隔膜泵的流體和壓力脈動，分析了產生脈動的原因，運用峰值分散技術對減少流體脈動，這些研究沒有考慮到橡膠隔膜和流體的耦合對橡膠隔膜破裂的影響。本文針對隔膜腔的隔膜工作過程，建立橡膠隔膜三維模型，同時從隔膜泵模型中抽出流體模型，將流體模型加到橡膠隔膜上進行流固耦合分析，得到不同速度下的橡膠隔膜的位移變化和壓力變化。

1 隔膜泵相關模型

往復式礦漿液壓隔膜泵采用橡膠隔膜將礦漿與液壓油隔離開，通過活塞的往復運動，使隔膜發(fā)生周期性變形以完成礦漿的吸入和排出[12]。這種泵不僅可以避免礦漿的泄漏，而且將礦漿與活塞等運動部件相互隔離，避免了礦漿中的固體顆粒磨損活塞等運動部件，從而大幅度延長了泵的使用壽命，隔膜泵的結構如圖1所示，橡膠隔膜結構如圖2所示。

從隔膜泵中提取流體模型如圖3所示，將流體模型加到橡膠隔膜上，得到橡膠隔膜的位移變化和壓力變化。

2 橡膠隔膜流固耦合仿真結果及分析

隔膜泵中的橡膠隔膜的壓力和位移變化分析中涉及了流固耦合、參數(shù)化動網(wǎng)格、湍流模型，因此計算量較大，為了便于計算，不考慮導桿對橡膠隔膜的作用，流體用水代替料漿，將流體模型加到橡膠隔膜上，考察不同流體速度下橡膠隔膜的應力變化和位移變化。

流體速度為0.1m/s時的位移變化和應力變化由圖4、圖5給出。

從圖4和圖5中可以看到，位移最大和應力最大的位置集中在橡膠隔膜中間的一小塊區(qū)域，應力最大為3.9671Mpa。

流體速度為0.5m/s時的位移變化和應力變化由圖6、圖7給出。

從圖6和圖7中可以看到，位移最大和應力最大同樣集中在橡膠隔膜中間的一小塊區(qū)域，應力最大為18.278Mpa。

流體速度為2m/s時的位移變化和應力變化由圖8、圖9給出。

從圖8和圖9中可以看到，位移最大的位置不僅僅集中橡膠隔膜在一個小的區(qū)域，應力最大同樣集中在橡膠隔膜中間的一小塊區(qū)域，應力最大值為7.4538Mpa。

流體速度為5m/s時的位移變化和應力變化由圖10、圖11給出。

從圖10和圖11中可以看到，位移最大和應力最大集中不在集中在橡膠隔膜的一小塊區(qū)域，應力最大為9.5521Mpa。

將流體不同速度下的橡膠隔膜的應力最大值提取出來，如圖12所示。

從圖12可以看出，流體速度在0.5m/s時，橡膠隔膜的最大應力比流體速度為5m/s時的最大應力反而較大，說明在流體速度較小時，橡膠隔膜易破壞的區(qū)域集中在很小的區(qū)域，而且壓力值相對較大;流體速度較大時橡膠隔膜易被破壞的區(qū)域集中在較大的區(qū)域，壓力的最大值較小。

在橡膠隔膜制造時，在流體速度較小時，需要考慮較小區(qū)域和較大的壓力值;在流體速度較大時，需要考慮較大區(qū)域和較小的壓力值。

3 結論

流體速度在0.5m/s時，橡膠隔膜的最大應力比流體速度為5m/s時的最大應力反而較大，說明在流體速度較小時，橡膠隔膜易破壞的區(qū)域集中在很小的區(qū)域，而且壓力值相對較大;流體速度較大時橡膠隔膜易被破壞的區(qū)域集中在較大的區(qū)域，壓力的最大值較小。

因此，隔膜腔隔膜三維流固耦合分析方法能充分反映隔膜運動過程中的變形、位移、受力情況，對于隔膜的形狀尺寸設計以及橡膠隔膜的設計有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]印嘉，吳建德，王曉東，范玉剛，黃國勇.基于小波包能量譜的往復式隔膜泵故障診斷研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（10）：45-47+50.

[2]鄧鴻英，張生昌，鄭英臣.環(huán)狀U型隔膜應力分析和結構優(yōu)化設計[J].排灌機械工程學報，2012，30（05）：578-582.

[3]凌學勤，張偉.大型隔膜泵橡膠隔膜的有限元分析[J].中國機械工程，2011，22（15）：1819-1822.

[4]王國權，劉萌，姚艷春，姜立嫚，段衛(wèi)潔.不同本構模型對橡膠制品有限元法適應性研究[J].力學與實踐，2013，35（04）：40-47.

[5]芮驥才，謝榮建，王仕越.隔膜泵驅動兩相流體散熱回路實驗研究[J].低溫與超導，2018，46（07）：7-12.

[6]Giovanni A.Longo，Simone Mancin.Flow dynamic and energetic assessment of a commercial micro-pump for a portable/wearable artificial kidney： Peristaltic vs.diaphragm pumps[J].International Journal of Mechanical Sciences，2017：31-36.

[7]Yuxin Yang，Hongguang Zhang，Yonghong Xu.Experimental study and performance analysis of a hydraulic diaphragm metering pump used in organic Rankine cycle system[J].Applied Thermal Engineering，2018：605-612.

[8]Shi-Min Lee，Yean-Der Kuan，Min-Feng Sung.A modeling and vibration analysis of a piezoelectric micro-pump diaphragm[J].Comptes Rendus Mécanique，2014：692-699.

[9]孫婉婷，唐秀麗.往復式液壓隔膜泵系統(tǒng)流量脈動控制分析研究[J].科技通報，2015，31（12）：125-127+149.

[10]張洪生，史有程，徐波.隔膜泵液力特性的數(shù)值模擬[J].排灌機械工程學報[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2014，32（11）：984-989.

[11]舒琦偉.往復式液壓隔膜泵的流量脈動分析及消振系統(tǒng)設計[J].水泵技術，2014（05）：45-48+10.

[12]Menéndez Blanco Alberto，F(xiàn)ernández Oro Jesús Manuel.Numerical methodology for the CFD simulation of diaphragm volumetric pumps[J].International Journal of Mechanical Sciences，2019：322-336.

[13]王喜軍，宗智，趙勇，鄒麗.液壓蓄能器隔膜在動荷載下應力響應研究[J].大連理工大學學報，2014，54（04）：391-396.

[14]何雙源.往復式液壓隔膜泵推進液補排油系統(tǒng)在生產中的運用[J].中國礦業(yè)，2019，28（S1）：311-314.

[15]Gianluca Carraro，Platon Pallis，Aris D.Leontaritis.Experimental performance evaluation of a multi-diaphragm pump of a micro-ORC system[J].International Journal of Mechanical Sciences，2017：1018-1025.

[16]潘毅，饒明航，周祎，王雙旭，林擁軍.流固耦合作用下膜結構振動頻率研究[J].建筑結構學報，2019（08）：136-144[2019-07-15].

[17]Eiichi Shoji.Fabrication of a diaphragm micropump system utilizing the ionomer-based polymer actuator[J].Sensors and Actuators，2016：660-665.