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雙吸式離心泵的三維造型及其抗震性能

發(fā)布時間:2024-09-11
現(xiàn)代水泵數(shù)值模擬和分析技術都是以水泵的全三維造型為基礎,因而研究水泵的全三維造型具有重要的意義。在傳統(tǒng)的泵強度和抗震性能分析中,一般都采用殼單元,按統(tǒng)一的厚度進行簡化計算,但實際上泵殼各部分的厚度是不均勻的,因此使用統(tǒng)一厚度的殼單元對泵進行計算分析是一種近似,這就勢必會影響分析結果的精度。
雙吸式離心泵具有渦室形狀復雜,多流道等特征,其三維造型和性能分析涉及到的問題較多,在泵的三維造型和分析中具有普遍性。本文針對某型號雙吸式離心泵進行了全三維造型,并按照有關規(guī)范要求對其進行了抗震性能分析。分析結果表明,該泵能夠滿足相關規(guī)范的要求。
1、泵的使用情況
該泵為單級、雙吸、中開式離心泵,泵體和電動機分別通過4個m36的螺栓固定于機座上,泵吸入和吸出口方向均為水平軸向。額定轉速為1500r/min,設計壓力為o.8mpa,介質(zhì)溫度為45℃。泵體材料為18cr8nio泵機組安裝于地下室一7.5m標高上,水泵安全等級為3級,電動機安全等級為1e級,泵/電機機組的抗震類別為ⅰ類。
2、三維模型的建立
為保證計算結果的準確性,本文使用pro/e軟件根據(jù)制造廠商提供的實際泵尺寸,建立了和實際泵*一致的全三維模型。三維造型中的關鍵是曲線曲面的數(shù)學表述問題,在該雙吸式離心泵三維造型中,采用了非均勻有理化b樣條的方法。
建立泵體輪廓模型時,首先利用描點法生成各截面上的關鍵點,然后利用nurbs法生成截面的輪廓,zui后運用掃描成型功能得到泵體模型,泵的入水口和出水口部分采用簡單的旋轉生成。圖1為根據(jù)圖紙建立的泵體全三維模型。
3、有限元分析
(1)有限元網(wǎng)格的劃分。實體建模后,將模型導入有限元前后處理軟件msc/marc中,進行有限元網(wǎng)格劃分,單元類型為八節(jié)點四面體單元,共有16724個單元,26183個節(jié)點。有限元模型如圖2所示。它包含了泵體和出入口法蘭。泵體內(nèi)的水的質(zhì)量被平均分配到泵體上。
(2)載荷約束條件。泵模型的底座與一塊鋼板剛性相連,在泵內(nèi)部存在著大小為0.8mpa的內(nèi)壓,入口和出口的法蘭面上承受螺栓預緊力,螺栓預緊力包括密封法蘭所需的力和平衡內(nèi)壓所需的力,而且在法蘭密封面上承受密封所需的力。
在泵的出水口和入水口各有一組接管力,接管載荷的大小如表1所示。對于接管力的施加,其力的部分,采用對法蘭平面上的結點平均分配力的方法進行施加。而對于接管力的力矩部分,以力偶形式加在結點上。
對于地震載荷的施加,可以根據(jù)泵安裝廠房一7.5m標高的sse地震樓層譜進行確定,使用時應再乘以1.5的系數(shù)。其反應譜zui大加速度x方向為0.8g,y方向為0.8g, z方向為0.5g, g為重力加速度,為9.8m/s2。在實際計算中,3個方向都按1.5g給定,這樣計算結果就偏于保守。
(3)計算結果分析。首*行模態(tài)分析,分析得到*階整體振動模態(tài)的頻率為54hz,超過33.4hz,故知設備為剛性結構。因此泵體的抗震分析可以采用等效靜力法進行分析。
泵體的tresca應力分布和變形狀況如圖3、4所示,由分析結果可見,泵體大部分tresca應力在3.5~10mpa范圍內(nèi),只是在兩側的約束點處tresca應力達到了53.1mpa,這是約束導致的應力集中,屬于二次應力加峰值應力。如果不考慮應力集中,泵體zui大tresca應力為了31mpa。泵體的zui大變形為0.08mm,發(fā)生在入口法蘭邊緣。
入口法蘭的tresca應力分布如圖5所示,由分析結果可見,入口法蘭zui大tresca應力為53.1mpa,發(fā)生在施加接管載荷點上,這是約束導致的應力集中,屬于二次應力加峰值應力。除了這些點,大部分tresca應力為3.5~9 mpa左右。
出口法蘭的tresca應力分布如圖6所示,出口法蘭zui大tress。應力為30 mpa,發(fā)生在施加接管載荷點上,這也是約束導致的應力集中。除此之外大部分tresca應力為5-9 mpa左右。
由以上結果可知,泵體、入口法蘭、出口法蘭在自重,接管載荷,螺栓預緊力和地震載荷同時作用下都遠遠小于材料的應力極限值133 mpa,該泵的承壓部分滿足asme3級部件的要求,因此滿足了在地震下的結構和受壓邊界完整性要求。
4、結論
(1)分析表明。該泵的動力學性能對抗震性能影響較小,可用等效靜力的方法分析抗震性能。
(2)有限元分析計算結果表明泵體所有節(jié)點應力均遠小于asme規(guī)范的要求,變形量也在要求的范圍之內(nèi)。
(3)計算中采用了放大加速度值的做法來提高地震力,計算結果表明應力能夠滿足要求,證明該泵不僅能滿足地震條件下壓力邊界的完整性,而且能滿足可運行性的要求。
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