基于ADINA的大型隔膜泵下箱體的強度分析與結構改進

孫磊

（中國有色（沈陽）泵業有限公司， 遼寧 沈陽 110144）

1概述

大型隔膜泵作為固-液兩相介質輸送的核心設備，在冶金、石油化工和長距離管道輸送等領域得到了日益廣泛的應用。大型隔膜泵動力端主要由下箱體、曲軸、連桿和十字頭等關鍵部件所組成。其中，下箱體的軸承支撐由于受到大噸位曲軸反作用力以及下導板座承受十字頭的正壓力，使其在下箱體板材的局部焊接位置容易生破壞。因此，為保證大型隔膜泵在用戶現場正常、穩定、安全的運行，在下箱體的設計過程中應對其進行強度分析，以確保其靜強度和疲勞強度滿足設計要求。本文采用大型有限元分析軟件ADINA對大型長距離管道輸送用隔膜泵動力端下箱體（工況活塞力為140T）進行強度分析與校核，得出最大應力值及其位置等參數。并對下箱體結構進行改進，以達到優化結構、降本增效的目的，其分析結論對隔膜泵下箱體及其相關產品的設計與研發具有一定的理論指導意義。

圖2 .1大型隔膜泵下箱體三維幾何模型圖

圖2 .2導入ADINA的隔膜泵下箱體網格圖

2大型隔膜泵下箱體強度分析

2.1 下箱體幾何模型與邊界條件

采用三維幾何建模軟件SolidWorks裝配得到大型隔膜泵動力端下箱體的三維幾何模型如圖2.1所示，其結構主要由不同厚度的金屬板材（板材厚度分別為30mm、35mm和 40mm；所 用 材 質 為Q345B）經焊接構成。Q345B的機械性能為：

動力端下箱體運行過程中的破壞主要表現為金屬板材之間局部焊接位置的應力集中，使用有限元分析軟件ADINA對該下箱體進行強度分析，進而對其結構強度進行校核。

采用專用前處理軟件對大型隔膜泵下箱體三維幾何模型進行前處理，為降低計算規模、提高求解效率，在Solid-Works中對不同厚度的金屬板材部件進行中面抽取。前處理過程中將下箱體軸承支撐、箱體前板等部件劃分為三維四面體單元；對抽取中面的金屬板材部件劃分為二維四邊形單元，通過定義二維單元的厚度來賦予金屬板材厚度。共得到節點63820個，單元50362個，將前處理網格導入ADINA中如圖2.2所示。

根據下箱體的實際受力情況定義有限元分析的邊界條件如下：根據隔膜泵曲軸噸位（140T）將其對軸承支撐的反作用力加載到軸承支撐的內表面；將十字頭正壓力均勻分布在下導板座上；對下箱體底板處定義全約束。

2.2 下箱體強度分析與校核

經ADINA有限元分析，得到該大型隔膜泵下箱體的應力分布圖如圖2.3所示。

由應力分布云圖可知，隔膜泵下箱體的最大應力出現在第二軸承支撐與金屬板材的焊接位置處，最大應力值為69.373MPa，局部應力分布圖如圖2.4所示。

根據分析結果對下箱體的靜強度和疲勞強度系數進行計算，經驗公式如下：

靜強度安全系數：

圖2 .3 隔膜泵下箱體應力分布云圖

圖2 .4 最大應力位置局部示意圖

圖2 .5 改造方案一下箱體應力分布云圖

圖2 .6 改造方案一的最大應力位置局部示意圖

圖2 .7 改造方案二下箱體應力分布云圖

圖2 .8 改造方案二的最大應力位置局部示意圖

S——機械零件的靜強度安全系數；

σs——機械零件所使用材質的屈服強度，MPa；

σmax——機械零件所受最大應力值，MPa；

Sa—— 機械零件的疲勞安全系數；

σ-1——材料的疲勞極限，MPa；

Kσ——機械零件的應力集中系數；

ε——機械零件的尺寸系數；

β——機械零件的表面加工系數。

經查機械設計手冊可得到下箱體的應力集中系數、尺寸系數和表面加工系數分別為1.0、0.88和0.9。將各參數代入上述公式計算可得下箱體的靜強度安全系數和疲勞安全系數分別為4.2和3，而同類產品要求靜強度安全系數應為1.7~2，且疲勞安全系數應大于2.5]。由此可知該種下箱體結構能夠滿足強度要求。

為實現下箱體結構的優化，達到降本增效的目的，現對下箱體進行結構改造，兩種改造方案分別稱為改造方案一和改造方案二，改造方案一是將下箱體中所有厚度為40mm的金屬板材改為為厚度35mm；改造方案二則是將每種厚度的金屬板材均減薄5mm。上述兩種結構的下箱體強度分析結果分別如圖2.5~2.8所示。兩種改造結構的最大應力和安全系數匯總如表2.1所示

結語

1根據有限元分析軟件ADINA對長距離管道輸送用大型隔膜泵動力端下箱體進行強度分析的結果表明：隔膜泵下箱體的最大應力出現在軸承支撐與金屬板材的焊接位置附近，這與用戶使用現場的損壞位置相一致。

2根據對不同結構隔膜泵下箱體強度分析與校核結果可知。原有結構和兩種改造結構的下箱體均能滿足設計強度要求，但改造方案二所使用的金屬板材厚度較其他兩種結構更薄，生產制造成本更低，因此采用該種結構制造下箱體可達到降本增效的目的。

3采用抽取中面的方式對構成下箱體三維模型中的金屬板材進行前處理，以及通過賦予二維單元厚度的方式來定義不同的金屬板厚等方法降低了有限元分析的計算規模并提高了求解效率，縮短了產品的設計研發周期，對其它同類產品的研發具有一定的借鑒意義。

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