基于有限元法的泵轴强度分析

从应力分布云 阿 ３ ４上可 以看 出，泵轴 和 ３泵轴三维造型网格及约束条件 泵轴三维模型采用 Ｐｏ ｒＥ软件建立 ， ／ 然后导 上的第一主应力在 叶轮端 安装 轴段根部 出现最 入到 Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 中。采用了 ｌ级精度进行了划分 ， 大值 ， 在试验和实际 情况 中， 这里也 的确 是常常 提高了数据结果的精度 ，得到 了较好的网格质 发生断裂的地方。 根据应力分 布云图， 以看到 可 量。 泵轴静 力研究 的载荷系统是弯扭结合 ， 选择 泵轴的危险点主要有 以下 三个 ： ） （ 轴在 叶轮端 １ 经计算 ， 叶轮 的重心 恰 Ｓ ＬＤ ５计算 单元 可 以很 好地 满 足分 析 的需 连接螺纹后的退刀槽处 ， Ｏ Ｉ９ 要。 在轴 的 １ 两个端面上限制了轴向位移 ， 、 ２ 在 好在这附近 。凶此取叶轮 汁算重心作 为第二 位 ３４两个端面上限制了径 向位移 。另外 ， 了限 危险点 ， 、 为 如图 ５中的点 Ｉ（ 叶轮和 泵轴连接 的 ；） ２ 图 ５ 泵轴上 的危 险点 制轴的刚性 转动 ， 在轴 的叶轮端 施加 了绕轴转 轴段 根部 ， 取如图 ５ 中的点 ２ ； 内磁转子端 ， 在 表 ２危 险的 主应 力（ 单位 ： Ｐ） Ｍａ 动的角位 移约束并 同时施加了扭矩 ， 决 了在 危 险点 的位置在键槽侧面上 ， 解 如图 ５中的点 ４ 。 关死工＿ 兄 最 静 力分析 中轴本 身刚性 旋转的影响问题。网格 另外 ，图中的 ３ 号点为在对泵轴进行 刚度 期 第 ２ 期 第１ 强 期 杰 力 主应力 捌 ］ 主应力 主应力 主应力 变形分析所选取 的点 。之所 以选择 １３点作 为 、 划分及约束如图 １ 所示 。 、 ２ 危险点１ ∞６ ８ ７２ ５８ ６ １３ １ ９ ２ ３ ７ １ ＆１ 在载荷的施加上 ， 根据轴的实际情况 ， 了 分析挠度 的节点 ， 因为这两个点基本上是 与 作 是 危险 １ 点２ ６７ ７ ９ － ４５ ８ １５ ｍ ７ ３ ７ 瑚 ４ 如下处理 ：） 向力 没有简单施加在轴 的两端 ， 叶轮和 内磁转子的重心重合。 （轴 １ 危险 ６ 点４ ２４ 剖 ． ２ —９７ １ ８６ ９ 也 ３ 稍 ４ 而是根据结构特点作 了特殊处理 。叶轮端 的轴 ４ ＿ ２强度分析 表 ３危 险点 的相 当应 力 （ 单位 ： Ｐ） Ｍａ 向力施加在 限制 叶轮轴 向位移 的螺纹处 ，内磁 在静力分析中对危险点进行校核 ，主要 的 关死 工 况 最优 工 况 转子端 的轴 向力施加在轴上轴肩 的端面一 依据是第ｉ和第 四强度理论 。第 ｉ强度理论 的 因为集 中力和力矩会产生较大应力集 中，这 与 基本假设是 ：最大剪切力是 引起材料屈 服的原 实际 晴况不符 ，因此在进行 了适 当的等效处理 因。 四强度理论的基本假设是 ： 第 畸变能是引起 后 ， 向力 和转 子的重 力都作为沿轴向均匀分 材料屈服的主要原 因。 径 根据计算结果 ， 得到如表 危 险 点 １ ２９７．２ ２６５．３ １０５．２ １Ｏ５．３ 布， 扭矩施加在 内磁转 子与轴 连接的轴段上均 ２ 所列 的危险点主应力的情况 。 危险点 ２ ４ ０． ３９ ９ ６ ７ ８ ３６ ３ ８． ３３１ １ ． 匀分布 ， 向力也都在所 施加 的表面 七 轴 均匀分 查表 可知 ， 材料许 用应力 为［］ ２ Ｍ ａ 经 ｏ＝ ０ Ｐ ， ＇５ 危险点 ４ ８ ３ ０ ９ ７ ２． １ ３． １ ３． ５ ０ ５ ９ 布。 另外 ， 实际上径 向力 、 子的重 力 、 转 转子质量 比较可 以看 泵轴满足材料的静强度要求 。 不均匀产生 的离心力 ， 由于轴 的旋转 ， 引起 交 会 需要特别说 叫， 在有 限元 的分析 中 ， 以单 分析对象 的变形趋势 ， 是 为了更直 观 ， 往在数值 往 变应力 ， 但是在静力分析 中， 没有考虑这种影 响 元和节点作 为计算单 位的 ，因此 在对泵轴 的分 有一定 的夸大 ， 准确地说 ， 变形 图是 相对 变形 析过程 中，都是钊对危险点进行 图 。 ‘ 计算 的，而不是和传统方法一样 ＾ Ｎ 是针对危险截面进行计算的 。 ４ － ３泵轴静 力状况下 的变形 另外 ， 算过 程 中还 得到 在计 了如 图 ６ 所示 的两种 一况下泵轴 ｒ 在静 力作用状 态 中的变形情 况 。 需要说 明的是 ，在 Ａ Ｓ Ｓ得到 ＮＹ 的变形网中 ，给出的直观 效果是 图 １泵轴 网格 划 分 图 ２泵 轴约 束 （ ） 死 工 况 ａ关
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高 新 技 术
基 于有 限元 法 的泵 轴强 度分析
付 强 杨 爱 玲 陈 娟 张 曙 光
（ 苏 国泉 泵 业 制 造 有 限公 司 ， 苏 镇 江 ２ ２０ ） 江 江 １０ ９
摘 要 ： 文首先 泵轴进 行 三维 建模 ， 本 然后调 用有 限元计 算软 件 Ａ Ｓ Ｓ中相 关的模 块 ， ＮＹ 通过 有 限元 前分析 ， 进行 零件 的有 限元数值 分 析 建模 ， 定泵轴 特殊 的控 制方程 和边界 条 件 ， 据 受力状 况 ， 到 了在 静 力状 况 下它 的主应 力 分布 ， 确 根 得 根据 第三 和 第四 强度理 论对 其 进行 了校核 计算 果表 明满足 强度要 求 ， ， 结 为泵轴 的设计 及制 造 工艺提供 了有益参 考 。
表 １泵轴的主要载荷
径向 力 轴向力 （） Ｎ 扭矩 转子的重 （） 力 Ｎ
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…
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一
第 一 主 应 力
第二 ｉ豇 力
第 三 ｉ应 力
图 ３ 关 死工 况下 泵轴应 力分布 云 图
”
（） 时 Ｎ 轮端 内 端 薄 子
关死 工况 ｌ ２ 毖 ９ ｔ嚣 ７ 最优工 １ Ｈ 况 ０ １ ４ 阻 １ ９ ８ 。９ １ ７ 粥 ５
关键 词 ： 限元 ； 有 泵轴 ； 强度 ； 分析
１引 言
和变化。
传统的泵轴设计 计算烦 琐 、 出错 ， 易 计算结 泵 轴 所 使 用 的 材 果 的准确性和直观 陛并不强 。本文在 已确定 载 料牌号为 ０ ｒ７ １Ｍ Ｃ ｌＮｉ２ 荷系统 的基础上 ，采用有限元方法对泵轴进行 ｏ 的耐热 钢ｆ１ ， 种 ２ ３６ 该 ） 静力分析 ，为泵轴校核计算提供 了新 的思路 和 材料 的性能参 数为 ： 弹 方法。 性模 量 Ｅ ２ ６ Ｇ ａ 切 ＝０ Ｐ ， 变 模 量 Ｇ ７． Ｐ ， ＝９８Ｇ ａ ３ ２泵轴的静 力分析 有 限元 的静力结构分析是计算在 固定不变 泊松 比 ｔ ０ ５ ０ 。 ｒ ． ，． － ２ ，３ － 的载荷作用下结 构的响应 口 反力 、 位移 、 应变 、 ４ 计 算 结 果 和 分 应力等） 。对于轴的静强度 ， 是按照最大载荷 （ 析 即 ４】 ． 计算结果 使是短时间作 用的载荷 ） 来进行 分析校核 的， 主 经过建模 、 边界 条 要选取 了零流量工况和最优丁况两种不同工况 进行 ， 两种工况 下轴 的主要 载荷状 况如表 ｌ 所 件设 定等 ， Ｎ Ｙ 对 轴 Ａ ＳＳ 示。其 中轴向力以指向泵 的人 口 处为正 。 在 静 力 条 件 下 的应 力
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状 况进行 了计算 ， 出 得 第一 主应 力 第二主应 力 第三 主应 力 了不 同工 况 点 下 泵轴 图 ４ 最优工 况下 泵轴应 力分 布云 图 的 个 ｊ 应力 图 ， 而 Ｅ 从 更加 清晰地 描述 出泵轴在不 同丁况下 同截 面 的应力分布情况 。在 两种不 同 工况下三个主应 力的分布图如图 ３和图 ４所示。