离心叶轮的有限元分析

　　1 引 言

　　离心叶轮工作状态下受离心力和水流压力的共同作用，其受力状况非常复杂。有限元分析方法是进行结构强度分析十分有效的方法。基于此，运用大型通用有限元分析软件 ANSYS8.0，在对离心叶轮内流场三维紊流分析的基础上，对叶轮结构进行有限元分析，获得叶轮在载荷作用下的应力和应变，从而为叶轮的强度计算提供依据。

　　2 叶轮实体模型的建立

　　本文以 IS50- 160 型离心泵的叶轮为分析对象，叶片采用圆柱型叶片，其主要几何参数如下表所示。通过自底向上的建模方法构造出如图 1 所示的叶轮三维实体模型，从叶轮进口看，叶轮工作时顺时针方向旋转。

　　3 叶轮内流场三维紊流的有限元分析

　　根据叶轮流道特征，叶轮内流场三维紊流的有限元分析采用 FLUID142 单元作为分析单元，选择四节点四面体形状。该单元自由度包括速度、压力、温度、湍流动能、湍流能量耗散、多达六种流体的各自质量所占的份额[1]。图 2 就是由图 1 的叶轮三维模型经过布尔运算、划分网格所得的叶轮一个流道过流部分的有限元模型，共将模型离散为 4876 个单元，6480 个节点，它是进行叶轮内部流动数值模拟的载体。

　　由于叶轮的旋转，使其内部液体受到惯性载荷的作用。通过以一定角速度旋转的旋转坐标系对流体施加惯性载荷。在迭代计算中采用的各项松弛系数为：动量项 0.3;压力项 0.3;速度项0.6;紊动项 0.8;紊动能耗散率项 0.8。

　　图 3 为处于前盖板与后盖板之间中间流面处叶片区的压力等值线分布。由图中可以看出，在叶片进口相对应位置上，压力面上和吸力面上的压力值是不同的。由于叶片的作用，压力面上的压力梯度大于吸力面上的压力梯度。叶片进口吸力面处存在高压区，从叶轮进口到叶轮出口压力变化呈现先降低后升高的过程，叶轮出口最大压力为 270696Pa。与泵试验中测得的泵出口压力 270578Pa 相比，数值计算的结果与试验的结果相当一致，证明数值计算的建模方法和计算方法是正确的，可作为叶轮其它分析的依据。

　　4 叶轮结构的有限元分析

　　叶轮材料为 HT200，弹性模量 E=1.22×1011Pa，泊松比 μ=0.3，密度 ρ=7800kg/m3，强度极限 σb=200MPa。叶轮的结构比较复杂，存在有不规则的形状，本文采用高精度的 Solid95 单元作为分析单元。它是三维 8 节点 Solid 单元 Solid45 的高阶形式，它能够容忍不规则的形状而保持足够的精度。Solid95 单元具有协调的形函数并且能够很好地模拟曲线边界，对于叶片的上下两个曲面的几何模型来说，这种单元非常合适[2]。对图1 所示叶轮实体模型，通过设置单元尺寸，采用自由网格划分 方 式 ， 共 将 模 型 离 散 为23410 个单元、45054 个节点。对单元进行质量检测，所有单元均满足畸变要求，如图 4 所示。