基于有限元法的立式泵底座優(yōu)化設(shè)計(jì)

周慶 夏國(guó)龍 徐劍云 張斌 范祖相

摘 要：立式泵底座主要用于支撐立式水泵，保證水泵安裝滿(mǎn)足測(cè)試要求，整體運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并符合一定的輕量化和低振動(dòng)要求。目前，船用泵對(duì)其低振動(dòng)提出了更高的要求，在低振動(dòng)泵試驗(yàn)臺(tái)搭建過(guò)程中，需要匹配與之相應(yīng)的低振動(dòng)水泵測(cè)試底座，為低振動(dòng)水泵試驗(yàn)臺(tái)提供必要的保障?，F(xiàn)針對(duì)原有底座結(jié)構(gòu)，建立三維模型，通過(guò)分析受力分布和應(yīng)力變形，提出了改進(jìn)優(yōu)化方案，解決了水泵底座低頻振動(dòng)的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：立式泵;底座;優(yōu)化設(shè)計(jì);有限元

0 ? ?引言

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，有限元設(shè)計(jì)是最常用的方法之一。有限元設(shè)計(jì)能夠讓設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)初期通過(guò)全面考慮產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的每個(gè)影響因素，并通過(guò)有限元軟件的模擬仿真，將影響產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的因素、設(shè)計(jì)理念與產(chǎn)品相結(jié)合，將產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

有限元設(shè)計(jì)是通過(guò)仿真建立三維模型，加載外部約束和外部應(yīng)力，分析模型的應(yīng)力和變形;通過(guò)有限元分析大幅縮短設(shè)計(jì)周期，有效提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)成本。

目前，國(guó)內(nèi)的底座設(shè)計(jì)優(yōu)化領(lǐng)域通常采用有限元方法來(lái)分析及優(yōu)化底座結(jié)構(gòu)。太原科技大學(xué)的司炎飛在基于有限元法的液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中，通過(guò)有限元方法對(duì)液壓支架施加模擬載荷，分析應(yīng)力變形和應(yīng)力分布，并提出了優(yōu)化解決方案。長(zhǎng)沙天鵝工業(yè)泵股份有限公司的施蓉等人分析了傳統(tǒng)臥式泵底座的不足之處，分別介紹了泵與電機(jī)中心高在不同情況下改進(jìn)后的臥式直聯(lián)泵底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低了生產(chǎn)制造成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

本文對(duì)原有水泵試驗(yàn)臺(tái)底座（圖1）進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。在安裝過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)原有水泵試驗(yàn)臺(tái)底座的梁出現(xiàn)了位移變形，雖然仍可以為水泵提供運(yùn)行支撐，但是水泵低頻振動(dòng)超標(biāo)。分析其原因?yàn)樵⑹桨惭b底座設(shè)計(jì)不合理，4個(gè)支撐支架底部有強(qiáng)約束，水泵重心太高，水泵支撐處存在安裝支撐變形的情況。從安裝減震器的情況來(lái)看，支架安裝好以后，當(dāng)擰緊底座固定螺栓時(shí)，減震器底部有明顯變形，說(shuō)明支架的4個(gè)立柱存在變形，需要通過(guò)有限元分析途徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 ? ?邊界條件設(shè)定

根據(jù)4個(gè)支柱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原支撐底座的支撐特點(diǎn)，對(duì)底座進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性加固。原底座由4個(gè)H鋼和1個(gè)底板組成，底座上表面為安裝面，底座尺寸為840 mm×700 mm×1 381 mm，重量為305 kg。

采用Creo2.0軟件對(duì)原底座進(jìn)行建模，原底座與地面通過(guò)螺栓固定，4個(gè)螺栓固定部位為固定約束，底座上方安裝面用于支撐水泵，水泵重量約150 kg，安裝面面積為0.09 m2，相當(dāng)于底座安裝面承受0.016 MPa的靜壓力。

2 ? ?原底座仿真分析

通過(guò)有限元軟件對(duì)原底座模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格寬度為20 mm，并通過(guò)靜力學(xué)分析對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，分析模型的應(yīng)力分布和變形，如圖2、圖3所示。

有限元分析結(jié)果顯示，原底座上部缺少固定，導(dǎo)致原底座上部在受外加載力的情況下，會(huì)出現(xiàn)上部彎曲、上部支撐不穩(wěn)等情況。底座應(yīng)力約為3 MPa，變形量約為0.028 mm，尤其頂部安裝面附近變形量較大，水泵底座低頻振動(dòng)會(huì)直接導(dǎo)致水泵振動(dòng)大。

3 ? ?底座優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，提出了底座改進(jìn)方案。根據(jù)原支撐架的特點(diǎn)，利用最簡(jiǎn)單的方式對(duì)支撐架進(jìn)行加固，分別在原支撐架1/2處和1/3處進(jìn)行加固，保證水泵底座頂端的穩(wěn)定性。

在底座4個(gè)H鋼四周側(cè)面增加筋板，利用槽鋼焊接在原支架的4個(gè)側(cè)面，增加水平方向和上部的穩(wěn)定性，按照原模型有限元邊界條件，并加載同樣的外在力，對(duì)有限元模型進(jìn)行分析，改進(jìn)后的模型如圖4所示。改進(jìn)后外形尺寸保持不變，重量增加了39 kg，為344 kg，整個(gè)重心基本保持不變。

采用同樣的有限元數(shù)值仿真分析方法對(duì)改進(jìn)后底座進(jìn)行數(shù)值仿真分析，即給定邊界條件為4個(gè)螺栓固定部位為固定約束，相當(dāng)于底座安裝面承受0.016 MPa的靜壓力。有限元分析結(jié)果顯示（圖5、圖6），經(jīng)過(guò)改進(jìn)，底座應(yīng)力降至1.84 MPa，變形量降至0.002 mm，說(shuō)明改進(jìn)后整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變形量小，改進(jìn)效果顯著。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，水泵在安裝過(guò)程中，支架底座安裝面沒(méi)有明顯變形，說(shuō)明4個(gè)支柱及支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，水泵低頻振動(dòng)放大效果得到抑制，說(shuō)明改進(jìn)后，整體支架確實(shí)有很好的效果和很明顯的低頻振動(dòng)抑制效果。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

立式泵底座對(duì)水泵的穩(wěn)定安裝至關(guān)重要，底座結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，強(qiáng)度是否符合使用要求，底座在安裝狀態(tài)下是否會(huì)發(fā)生變形，都是在設(shè)計(jì)階段要考慮的要素。采用有限元方法對(duì)改進(jìn)方案的數(shù)值進(jìn)行分析，可以縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，為改進(jìn)方案提供有效的數(shù)據(jù)支撐。改進(jìn)后的水泵運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，底座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，改進(jìn)效果顯著。在試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，水泵低頻振動(dòng)放大效果得到抑制，說(shuō)明改進(jìn)后，整體支架確實(shí)有很好的效果和很明顯的低頻振動(dòng)抑制效果。

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收稿日期：2020-11-18

作者簡(jiǎn)介：周慶（1979—），男，江蘇建湖人，工程師，研究方向：特種發(fā)動(dòng)機(jī)。