商发燃油泵项目-海基在泵类结构分析中的应用_20140612-187
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3
有限元模型
模型修改
材料参数
工作载荷 约束条件
静力分析
强度是否
否
满足要求
是 结束
强度、刚度类分析—转子强度分析
➢ 叶片一般是用优质碳素钢加工而成，但由于叶片较薄，在甩离卡槽越远 的位置，根部受到的支反力就越大，转子会因根部产生较大的力而发生 断裂。
➢ 叶片泵转子上必须开出叶片的卡槽，卡槽根部厚度较小，卡槽部位与转 子直接过渡区存在应力集中现象，导致卡槽根部往往会因为强度不够而 断裂，造成较大的危害。
➢ 疲劳问题主要分析软件：
MSC.Nastran，abaqus， Ansys（静动力学）
MSC.Fatigue（疲劳寿命）
12
有限元模型
静(动)力分析
循环载荷谱 材料疲劳参数
结果转换
疲劳寿命分析
疲劳参数 否
优化
寿命满足 要求
是 结束
模型修改
否
疲劳寿命分析—泵用曲轴的疲劳强度校核
• 某曲轴形状复杂，某些部位的交变应力会达到很高的数值，容易产生疲劳破 坏。采用了基于有限元的直接动态疲劳仿真方法，建立了包括曲轴、齿轮、 连杆等在内的复杂系统运动模型，完成了全三维动力学分析，并据此进行疲 劳寿命和安全系数的计算。
强度、刚度类分析—结构密封性分析
泵体变形云图 缸体和缸盖应力分布
8
强度、刚度类分析—发动机主轴承座结构强度分析
➢ 分析目的：
• 对整体变形和轴孔变形进行评价； • 对应力进行评价；
➢ 分析方法：
• 建立包括缸体、框架、轴瓦、曲 轴以及连接螺栓的发动机主轴承 座网格模型，通过指定不同的接 触区域、接触条件、载荷、约束 边界条件及多点约束，分别建立 了螺栓预紧、轴瓦过盈、曲轴动 压力以及热负荷四种工况主轴承 座强度分析有限元模型。
17
流固耦合分析
➢ 单向耦合法：
单向流固耦合分析指耦合交界面处的数据传递是单向的，一般是指把 CFD 分析计算的结 果（如压力、温度）传递给固体结构分析，但是没有固体结构分析结果传递给流体分 析的过程。单向耦合的现象和分析非常普遍，比如阀门在不同开度下的应力分析、结 构变形不大的液体晃动分析，旋转机械的结构强度分析等。另外，已知运动轨迹的刚 体对流体的影响分析在某种程度上也可以看作是一种单向耦合分析
4
强度、刚度类分析—转子强度分析
Table.1-1 Material parameters 部件名称 密度(Kg/m3) 弹性模量(Pa) 泊松比
转子
6900
1.35e11
0.27
叶片
7800
2.1e11
0.305
① CFD分析可知流体压力最大达1MPa，叶片和 叶片槽内统一施加1MPa的极限压力，这个载 荷大小属于极限工况。
9
强度、刚度类分析—发动机主轴承座结构强度分析
轴瓦孔的变形会影响到最小 油膜厚度，因此变形估算很 重要。需要特别注意动轴瓦 载荷工况引起的变形，如图， 在 Y 向 的 变 形 是 31.3μm ， X 向 是 -13.9μm ， 而 轴 承 间 隙 是40μm，变形小于间隙 ， 这样就可以保证最小油膜厚 度。
6
强度、刚度类分析—结构密封性分析
表材料参数表 Table. Material parameters
部件名称 壳体 螺钉
密度(Kg/m3) 2730 7800
弹性模量(Pa) 泊松比
0.6898e11 0.33
2.07e11
0.30
7
1. 加载螺栓预紧力，大小为5570N； 2. 加载油压作用力，考虑到机油泵工作的极 限工况，低压区加载-0.1Mpa，高压区加载 0.9Mpa，加载方式如图所示。
18
流固耦合分析
➢ 单向耦合法： • 软件级（软件直接支持） • 人工级（编写数据转换接口）
19
Fra Baidu bibliotek
流固耦合分析
➢ 单向耦合法： • 软件级（软件直接支持） • 人工级（编写数据转换接口）
20
流固耦合分析
• 某船用油箱在恶劣海况下由于剧烈晃动会造成油箱壁及固定螺栓承受 较大载荷。通过CFD晃动分析可得到任意时刻油箱内液体对油箱壁面 的压力载荷；将该压力载荷作为油箱的边界条件进行结构应力分析， 用于评估油箱强度是否满足要求。
21
流固耦合分析
• 利用Pumplinx软件分析某齿轮泵工作状况 下的流场分布，利用数据转换工具，将 Pumplinx分析得到的流体域边界处的压力 作为载荷施加到齿轮上，从而进行齿轮的 结构应力分析。
22
谢 谢！
f) 在螺栓预载荷下的滑动应力 µNFbmin－QBL
缸体和框架之间 分界面的压力分 布应该估算以发 现在两零件之间 是否有相对滑动， 从而调整螺栓预 紧力。下图为分 界面上的压力、 应力分布图。
疲劳寿命分析
➢ 疲劳问题分析目标：
获得结构在给定工作条件下的 寿命分布。
➢ 疲劳问题主要分析方法：
Miner累积损伤法结合S-N曲线 求解寿命分布
13
疲劳寿命分析—泵头组件多工况下疲劳寿命计算
• 泵头内部由于采用多腔相贯形式，在过渡位置采用棱角、倒圆角或者倒斜角 等不同方案时，将决定该区域的应力水平。交变应力也将对疲劳寿命也将产 生影响。针对用户要求，建立泵头组件计算模型，首先进行一个工作周期内 六种不同工况下的结构静力计算，并基于此计算结果进行后续组合工况下的 疲劳寿命计算。
14
流固耦合分析
流固耦合分析
分离解法
直接解法
单向耦合
双向耦合
同步求解
顺序求解
15
流固耦合分析
➢ 直接耦合法：
直接耦合多用于热-固耦合分析，热-流耦合分析， 流固耦合分析中的最常用的直接耦合法为CEL法
16
流固耦合分析
➢ 双向耦合法：
双向流固耦合分析是指数据交换是双向的，也就是既有流体分析结果传递给固体结构分 析，又有固体结构分析的结果（如位移、速度和加速度）反向传递给流体分析。此类 分析多用于流体和固体介质密度比相差不大或者高速、高压下，固体变形非常明显以 及其对流体的流动造成显著影响的情况。常见的分析有挡板在水流中的振动分析、血 管壁和血液流动的耦合分析等。
10
强度、刚度类分析—发动机主轴承座结构强度分析
a) 螺栓预紧力 Fb，max＝45.5kN 法向压力 NFbmax
c) 动轴瓦载荷 Fdyn＝32kN
法向压力 NBL
BL
e) 动轴瓦载荷 Fdyn＝32kN 剪切应力 QBL
11
b) 螺栓预紧力 Fb，min＝43kN 法向压力 NFbmin
d) 螺栓预紧力－动轴瓦载荷 NFbmax－NBlmax
CAE结构分析在泵类中的应用
报告内容
1 强度、刚度类分析案例 2 疲劳寿命分析案例 3 流固耦合分析案例
2
强度、刚度类分析
➢ 静强度问题分析目标：
获得结构在给定工况下的应力(应 变）、及变形；用以判断结构是否 满足设计要求。
➢ 静强度问题主要分析方法：
N-R迭代法
➢ 静强度问题主要分析软件： MSC.Nastran、Abaqus等
② 为了保证结构不产生刚体位移，假设在承载 瞬间转子外壁面受到固定端约束，即在分析 过程中，限制转子外壁面的三个平动自由度。
5
强度、刚度类分析—结构密封性分析
密封性不可靠的危害：
1.杂质进入，导致润滑油质量变坏； 2.油泵内进入空气，导致泵内真空度不足，吸油能力降低； 3.油液外溢，导致环境污染等。
有限元模型
模型修改
材料参数
工作载荷 约束条件
静力分析
强度是否
否
满足要求
是 结束
强度、刚度类分析—转子强度分析
➢ 叶片一般是用优质碳素钢加工而成，但由于叶片较薄，在甩离卡槽越远 的位置，根部受到的支反力就越大，转子会因根部产生较大的力而发生 断裂。
➢ 叶片泵转子上必须开出叶片的卡槽，卡槽根部厚度较小，卡槽部位与转 子直接过渡区存在应力集中现象，导致卡槽根部往往会因为强度不够而 断裂，造成较大的危害。
➢ 疲劳问题主要分析软件：
MSC.Nastran，abaqus， Ansys（静动力学）
MSC.Fatigue（疲劳寿命）
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有限元模型
静(动)力分析
循环载荷谱 材料疲劳参数
结果转换
疲劳寿命分析
疲劳参数 否
优化
寿命满足 要求
是 结束
模型修改
否
疲劳寿命分析—泵用曲轴的疲劳强度校核
• 某曲轴形状复杂，某些部位的交变应力会达到很高的数值，容易产生疲劳破 坏。采用了基于有限元的直接动态疲劳仿真方法，建立了包括曲轴、齿轮、 连杆等在内的复杂系统运动模型，完成了全三维动力学分析，并据此进行疲 劳寿命和安全系数的计算。
强度、刚度类分析—结构密封性分析
泵体变形云图 缸体和缸盖应力分布
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强度、刚度类分析—发动机主轴承座结构强度分析
➢ 分析目的：
• 对整体变形和轴孔变形进行评价； • 对应力进行评价；
➢ 分析方法：
• 建立包括缸体、框架、轴瓦、曲 轴以及连接螺栓的发动机主轴承 座网格模型，通过指定不同的接 触区域、接触条件、载荷、约束 边界条件及多点约束，分别建立 了螺栓预紧、轴瓦过盈、曲轴动 压力以及热负荷四种工况主轴承 座强度分析有限元模型。
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流固耦合分析
➢ 单向耦合法：
单向流固耦合分析指耦合交界面处的数据传递是单向的，一般是指把 CFD 分析计算的结 果（如压力、温度）传递给固体结构分析，但是没有固体结构分析结果传递给流体分 析的过程。单向耦合的现象和分析非常普遍，比如阀门在不同开度下的应力分析、结 构变形不大的液体晃动分析，旋转机械的结构强度分析等。另外，已知运动轨迹的刚 体对流体的影响分析在某种程度上也可以看作是一种单向耦合分析
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强度、刚度类分析—转子强度分析
Table.1-1 Material parameters 部件名称 密度(Kg/m3) 弹性模量(Pa) 泊松比
转子
6900
1.35e11
0.27
叶片
7800
2.1e11
0.305
① CFD分析可知流体压力最大达1MPa，叶片和 叶片槽内统一施加1MPa的极限压力，这个载 荷大小属于极限工况。
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强度、刚度类分析—发动机主轴承座结构强度分析
轴瓦孔的变形会影响到最小 油膜厚度，因此变形估算很 重要。需要特别注意动轴瓦 载荷工况引起的变形，如图， 在 Y 向 的 变 形 是 31.3μm ， X 向 是 -13.9μm ， 而 轴 承 间 隙 是40μm，变形小于间隙 ， 这样就可以保证最小油膜厚 度。
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强度、刚度类分析—结构密封性分析
表材料参数表 Table. Material parameters
部件名称 壳体 螺钉
密度(Kg/m3) 2730 7800
弹性模量(Pa) 泊松比
0.6898e11 0.33
2.07e11
0.30
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1. 加载螺栓预紧力，大小为5570N； 2. 加载油压作用力，考虑到机油泵工作的极 限工况，低压区加载-0.1Mpa，高压区加载 0.9Mpa，加载方式如图所示。
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流固耦合分析
➢ 单向耦合法： • 软件级（软件直接支持） • 人工级（编写数据转换接口）
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Fra Baidu bibliotek
流固耦合分析
➢ 单向耦合法： • 软件级（软件直接支持） • 人工级（编写数据转换接口）
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流固耦合分析
• 某船用油箱在恶劣海况下由于剧烈晃动会造成油箱壁及固定螺栓承受 较大载荷。通过CFD晃动分析可得到任意时刻油箱内液体对油箱壁面 的压力载荷；将该压力载荷作为油箱的边界条件进行结构应力分析， 用于评估油箱强度是否满足要求。
21
流固耦合分析
• 利用Pumplinx软件分析某齿轮泵工作状况 下的流场分布，利用数据转换工具，将 Pumplinx分析得到的流体域边界处的压力 作为载荷施加到齿轮上，从而进行齿轮的 结构应力分析。
22
谢 谢！
f) 在螺栓预载荷下的滑动应力 µNFbmin－QBL
缸体和框架之间 分界面的压力分 布应该估算以发 现在两零件之间 是否有相对滑动， 从而调整螺栓预 紧力。下图为分 界面上的压力、 应力分布图。
疲劳寿命分析
➢ 疲劳问题分析目标：
获得结构在给定工作条件下的 寿命分布。
➢ 疲劳问题主要分析方法：
Miner累积损伤法结合S-N曲线 求解寿命分布
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疲劳寿命分析—泵头组件多工况下疲劳寿命计算
• 泵头内部由于采用多腔相贯形式，在过渡位置采用棱角、倒圆角或者倒斜角 等不同方案时，将决定该区域的应力水平。交变应力也将对疲劳寿命也将产 生影响。针对用户要求，建立泵头组件计算模型，首先进行一个工作周期内 六种不同工况下的结构静力计算，并基于此计算结果进行后续组合工况下的 疲劳寿命计算。
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流固耦合分析
流固耦合分析
分离解法
直接解法
单向耦合
双向耦合
同步求解
顺序求解
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流固耦合分析
➢ 直接耦合法：
直接耦合多用于热-固耦合分析，热-流耦合分析， 流固耦合分析中的最常用的直接耦合法为CEL法
16
流固耦合分析
➢ 双向耦合法：
双向流固耦合分析是指数据交换是双向的，也就是既有流体分析结果传递给固体结构分 析，又有固体结构分析的结果（如位移、速度和加速度）反向传递给流体分析。此类 分析多用于流体和固体介质密度比相差不大或者高速、高压下，固体变形非常明显以 及其对流体的流动造成显著影响的情况。常见的分析有挡板在水流中的振动分析、血 管壁和血液流动的耦合分析等。
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强度、刚度类分析—发动机主轴承座结构强度分析
a) 螺栓预紧力 Fb，max＝45.5kN 法向压力 NFbmax
c) 动轴瓦载荷 Fdyn＝32kN
法向压力 NBL
BL
e) 动轴瓦载荷 Fdyn＝32kN 剪切应力 QBL
11
b) 螺栓预紧力 Fb，min＝43kN 法向压力 NFbmin
d) 螺栓预紧力－动轴瓦载荷 NFbmax－NBlmax
CAE结构分析在泵类中的应用
报告内容
1 强度、刚度类分析案例 2 疲劳寿命分析案例 3 流固耦合分析案例
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强度、刚度类分析
➢ 静强度问题分析目标：
获得结构在给定工况下的应力(应 变）、及变形；用以判断结构是否 满足设计要求。
➢ 静强度问题主要分析方法：
N-R迭代法
➢ 静强度问题主要分析软件： MSC.Nastran、Abaqus等
② 为了保证结构不产生刚体位移，假设在承载 瞬间转子外壁面受到固定端约束，即在分析 过程中，限制转子外壁面的三个平动自由度。
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强度、刚度类分析—结构密封性分析
密封性不可靠的危害：
1.杂质进入，导致润滑油质量变坏； 2.油泵内进入空气，导致泵内真空度不足，吸油能力降低； 3.油液外溢，导致环境污染等。