离心泵叶轮叶片的有限元分析及优化

发布时间：2017-03-30 08:22

  本文关键词：离心泵叶轮叶片的有限元分析及优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：离心泵在工农业生产中，特别是在农田水利灌溉方面，发挥了重要作用。随着泵愈加广泛的应用，对其水力特性和运行稳定性的要求也越来越高。叶轮是离心水泵重要的过流部件，直接影响着泵的运行状况。叶轮工作在流动介质中，不仅受自身旋转产生的离心力，还有流体在高速运转状态下对叶片表面的冲击作用，其受力状况很复杂。传统设计利用统计方法得出叶轮的经验参数，但是没有注重对叶轮内部流动状态的数值模拟，不能得知叶轮在运行中具体的受力情况，设计效率低。计算流体动力学（CFD）和有限元分析（FEA）在旋转机械领域的应用，为内部流场分析及结构设计提供了有效途径。 本文研究了叶轮的三维建模、水泵内的流场模拟、静强度和模态分析以及叶轮几何尺寸的优化。(1)首先根据工况设计计算水泵主要过流部件叶轮和蜗壳的几何尺寸，利用方格网保角变换法在Auto CAD中进行叶片二维木模图的绘制。通过木模图提取叶片表面的关键点，在Pro/E中建立了叶轮和蜗壳的三维实体模型，采用曲面分析工具检查了扭曲叶片的表面质量，对不满足光顺要求的地方进行了修改，，使叶轮的造型更加合理准确。构建了水泵内部的流道模型，为流场分析打下基础；(2)接着介绍了离心泵内部湍流流动数值模拟的相关理论，在ICEM CFD中对流道模型划分网格和设定边界条件。将定义好的网格导入到FLUENT中求解离心泵的内部流场，较真实地反映了离心泵内部流体的速度、压力分布情况，得到了叶片表面上的压力数据；(3)然后在Workbench中搭建流场分析与结构分析的项目表,对离心泵叶轮进行单向流固耦合分析。把流场分析输出的压力数据加载到叶片上，进行叶轮静力分析，得到了水压力和离心力作用下叶轮的应力应变情况；并对叶轮做模态分析，查看叶轮在设计工况下的频率振动特性，判断与周围环境是否产生共振。计算结果表明设计工况下叶轮工作可靠；(4)最后以泵的能量损失(圆盘摩擦损失、容积损失和水力损失)最小和轴功率最小为目标函数，编写了多目标优化函数的M文件，以叶轮外径、叶片出口宽度和叶片出口安放角等影响水力性能的主要尺寸为设计变量，确定了变量的取值范围，使用MATLAB工具箱对设计变量进行了优化计算，获得了设计工况下的最优设计参数组合。代入目标函数证实比优化前效率提高了3.2%。 本文主要利用数值模拟技术和有限元分析法对叶轮进行结构设计和分析，可提高叶轮的工作性能，缩短整体设计周期，降低生产成本。
【关键词】：叶轮 Workbench 数值模拟 有限元分析 多目标优化
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH311
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 选题的背景和意义12-13
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势13-17
• 1.2.1 设计进展13-14
• 1.2.2 分析进展14-15
• 1.2.3 优化进展15-17
• 1.2.4 测试进展17
• 1.3 本课题的研究内容和技术路线17-19
• 第二章 叶轮的设计计算及三维造型19-34
• 2.1 叶轮主要结构参数的计算及木模图的绘制19-28
• 2.1.1 尺寸计算部分的程序编制19-21
• 2.1.2 绘图部分的计算机辅助探讨21-24
• 2.1.3 叶片出口角度 bt2 和精算叶轮外径 D2 的关系24-26
• 2.1.4 利用神经网络建立叶轮尺寸参数的预测模型26-28
• 2.2 基于 Pro/E 的叶轮叶片的三维实体造型28-32
• 2.2.1 建立点文件并导入 Pro/E29
• 2.2.2 连接成曲线并混合成曲面29-30
• 2.2.3 检验修正叶片曲面30-31
• 2.2.4 生成叶片实体并加上端盖31-32
• 2.3 构建流道流动模型32-33
• 2.3.1 蜗壳模型的绘制32
• 2.3.2 离心泵内部流道模型的绘制32-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 离心泵内部流场分析34-45
• 3.1 FLUENT 软件简介34
• 3.2 数值模拟理论基础34-39
• 3.2.1 CFD 及其求解过程34-36
• 3.2.2 CFD 流动控制方程组36-37
• 3.2.3 描述流动的湍流模型37-38
• 3.2.4 收敛判定条件38
• 3.2.5 边界条件类型38-39
• 3.2.6 数值模拟的离散方法39
• 3.3 建立流动网格模型39-41
• 3.3.1 计算网格的划分40
• 3.3.2 定义边界条件40-41
• 3.4 叶轮内部流场的求解41-44
• 3.4.1 在求解器 FLUENT 中的操作步骤41-42
• 3.4.2 FLUENT 后处理结果及其分析42-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第四章 叶轮静强度和模态分析45-58
• 4.1 有限元法及 ANSYS 软件45-46
• 4.1.1 有限元方法45
• 4.1.2 ANSYS 有限元分析软件45-46
• 4.1.3 ANSYS 有限元分析的步骤46
• 4.2 流固耦合理论46-47
• 4.3 有限元分析的预定义47-49
• 4.3.1 单位设置48
• 4.3.2 定义材料属性48
• 4.3.3 单元类型设置48-49
• 4.4 建立叶轮有限元模型49-51
• 4.4.1 导入几何模型49
• 4.4.2 有限元网格划分49-51
• 4.5 定义约束和施加载荷51-52
• 4.6 结构静力分析52-54
• 4.6.1 叶片的静力学方程52-53
• 4.6.2 求解并分析应力应变状况53-54
• 4.7 模态分析54-56
• 4.7.1 叶轮模态分析54-55
• 4.7.2 结果分析55-56
• 4.8 本章小结56-58
• 第五章 基于损失极值法的叶轮结构参数优化58-67
• 5.1 优化设计的数学模型58-59
• 5.2 目标函数的确定59-63
• 5.2.1 能量损失目标函数59-62
• 5.2.2 轴功率目标函数62-63
• 5.3 约束条件的确定63-65
• 5.4 基于 MATLAB 工具箱的优化计算65-66
• 5.5 本章小结66-67
• 第六章 结论与展望67-69
• 6.1 结论67-68
• 6.2 创新点68
• 6.3 展望68-69
• 参考文献69-73
• 附录73-83
• 附录 173-76
• 附录 276-78
• 附录 378-80
• 附录 480-83
• 致谢83-84
• 作者简介84

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本文编号：276666