ADINA在往復式隔膜泵中的應用

張金偉

摘 要：管道化輸送在節能減排與環境保護方面具有突出的優勢，已在諸多行業中獲得了應用，并且近些年取得了突飛猛進的發展。往復式隔膜泵作為管道化輸送的核心設備，技術的改進與發展具有非常重大的意義。由于往復式隔膜泵的結構和工作原理的特殊性，對于計算軟件的要求非常嚴格，作為一款性能突出的有限元軟件，ADINA很好的完成了各種要求并且在隔膜泵的設計中發揮了重要作用。本文主要介紹ADINA在隔膜泵設計中的主要應用，突出了ADINA在隱式動力學和流固耦合計算方面的強大優勢。

關鍵詞：隔膜泵；ADINA；流固耦合；隱式動力學

中圖分類號：TH32 文獻標識碼：A

一、概述

1.1 隔膜泵的原理及應用領域

隔膜泵的工作原理為電動機通過減速機驅動曲柄滑塊機構，將旋轉運動轉變為直線運動，帶動活塞往復運動，活塞借助油介質使橡膠隔膜凹凸運動，在隔膜室腔內的礦漿容積周期性變化，完成礦漿輸送。

隔膜泵的主要應用領域包括氧化鋁工業和管道化輸送行業。其中，氧化鋁工業主要分為氧化鋁溶出喂料、堿液輸送和赤泥外排；管道化輸送主要包括尾礦、鐵精礦、磷精礦、銅礦、金礦以及長距離輸煤等行業。在當前提倡節能減排的經濟環境下，在特定領域內，管道化輸送代替傳統的運輸方式將是大勢所趨，隔膜泵也將得到更廣泛的應用。

1.2 ADINA于工程仿真計算中的優勢

ADINA作為一款商用有限元分析軟件得到了廣泛的應用，得益于其在工程應用中的以下三點優勢：

（1）強大的求解器

結構：無論是靜態問題，還是隱式或顯示動態計算問題，均有非常優秀的計算方法。并且在非線性計算上有著強大的計算能力。

CFD：出眾的動網格技術為復雜的流體計算提供了可靠的保障。

多場耦合：出色的流固耦合計算，其直接耦合算法是高度復合非線性強耦合計算的技術保證。還有高效的流固熱三場耦合等都讓ADINA成為CAE工程師手中一款出色的計算平臺。

（2）豐富的前后處理接口

對于工程問題，模型的前處理過程大多在專業的前處理平臺完成，并最終導入到軟件進行計算；后處理同樣需要導入到不同的專業后處理軟件進行處理。這樣就需要軟件具備豐富的前后處理軟件接口。

（3）先進的框架理念

時間函數、單元面集、節點集、節點信息等均支持excel或文本文檔操作。因此易于尺寸參數化驅動模型。

二、ADINA在隔膜泵中的應用

2.1隔膜泵動力端的應用

2.1.1下箱體裝配體隱式動力學分析

下箱體部裝是隔膜泵的重要組成部分，為液力端礦漿輸送提供動力。其運轉過程中由曲軸的旋轉運動轉變為是十字頭部裝的直線往復運動，各個關鍵件緊密聯系，相互影響，是比較復雜的運動形式。

在進行隔膜泵關鍵件強度分析時，主要采用靜強度分析方法，其邊界條件對于分析結果影響很大，對于這樣復雜的運動情況，實現動力學分析以確定各關鍵件的危險工況是十分必要的。采用ADINA中的隱式動力學分析方法很好的實現了隔膜泵下箱體部裝這一運動過程。分析模型如圖所示，由于這一過程重點關注十字頭部裝和下箱體的受力及變形情況，因此將曲軸和連桿簡化為梁單元。導板與導板座之間采用綁定接觸，滑板與導板之間采用滑動接觸實現運動過程中的相對運動。由于隔膜泵運動過程存在大變形，計算中采用了ADINA特有的bathe算法，得到了穩定的計算結果。如圖所示為箱體在最危險工況下的位移云圖。

ADINA不但實現了這一運動過程的計算，而且具有很高的計算速度，這一點對于工程問題具有非常重要的意義。通過對隔膜泵下箱體部裝運動過程的分析，體現了ADINA在隱式動力學方面強大的運算能力。

2.1.2 曲軸部裝隱式動力學分析

曲軸部裝是由曲軸和連桿共同組成的曲柄連桿結構，運轉過程中曲軸旋轉帶動連桿做平面運動，連桿小端受到十字頭反作用力再傳遞到曲軸之上。由于曲軸為多拐曲柄結構，細節特征較多，其結構本身就較為復雜，而且連桿對其的反作用力為往復交替式的，力的方向又實時變化，因此，曲軸在運動過程中的受力極為復雜。同樣，為了確定曲軸在工作過程中的最危險工況，需要實現其運動過程的分析。

下圖為曲軸部裝的分析模型。其中，曲軸與支撐和連桿的接觸面為滑動接觸，在連桿小端按照隔膜泵的實際工作情況施加作用力，在曲軸一端施加旋轉位移實現曲軸的運動。經計算，如圖所示為曲軸在最危險工況下的曲軸受力云圖。

2.2隔膜泵液力端的應用

2.2.1兩位兩通閥小隔膜密封過程分析

兩位兩通閥小隔膜密封過程分析過程是典型的材料非線性分析過程。如圖所示為密封過程仿真分析模型圖，其中上下結構為金屬材料，中間為橡膠材料。裝配過程中，上下結構擠壓中間的橡膠以達到密封的效果。此分析主要研究結構壓緊后橡膠材料的受力情況，通過改變各個結構的局部尺寸，降低橡膠的受力，獲得最優的結構尺寸。

下圖為小隔膜被壓實后的整體位移云圖與小隔膜的網格變形圖，從圖中可以看出，橡膠小隔膜受到擠壓后，其網格變形嚴重，屬于高度非線性接觸問題。

2.2.2隔膜泵泵閥運動機理流固耦合分析

隔膜泵液力端是隔膜泵技術中的核心技術，由于流體本身即為極其復雜的研究對象，再加之高壓力和復雜的流體機械的耦合，使液力端的研究更為困難。液力端的各關鍵件均為承壓件，隔膜泵在高壓工作過程中，需準確的了解各關鍵件的壓力變化規律；泵閥的開啟與關閉直接關系到泵整體的容積效率，了解泵閥的運動規律以及隔膜泵在高壓工作環境下泵閥的相互影響對于液力端的研究具有十分重要的意義?；谝陨显颍⒁毫Χ肆鞴恬詈涎芯矿w系是十分必要的。

建立如圖所示的分析模型，模型分為流體部分和結構部分。流體部分液力端的流場區域，在進口與出口施加壓力邊界，以模擬真實的工作環境；結構部分為進出料閥結構，位于流體區域內部，閥上部作用有彈簧力。通過改變進出口壓力、閥升程、閥彈簧剛度以及活塞的運動周期等設計參數，對比分析各參數對閥運動規律和腔內壓力的變化的影響，以此為基礎進行隔膜泵液力端的設計。

通過對隔膜泵液力端流固耦合的分析研究，證明了ADINA強大的流固耦合計算能力；與公司內部相關的實驗數據對比，體現了其極高的算法精度；高速的計算速度對于隔膜泵的研究具有重要意義。

三、結論

通過以上研究，可以看出，ADINA軟件在往復式隔膜泵的計算分析中得到了廣泛的應用。通過對ADINA軟件的使用，可以得出，ADINA具有以下幾項優點：

1 高效的求解效率；

2 優秀的計算算法；

3 豐富的前后處理接口便于工程使用；

4 精確地算法精度。

目前，ADINA在往復式隔膜泵的設計上已經發揮了至關重要的作用，并且隨著對ADINA的認識進一步提高，在往復式隔膜泵的設計中，ADINA將發揮更大的作用。

參考文獻

[1]ADINA theory and Modeling Guide Volume Ш：ADINA CFD & FSI，Report ARD 10-9， 2010.

[2]ADINA theory and Modeling Guide Volume Ⅰ：ADINA Volume Ⅱ：ADINA Heat Transfer，Report ARD 10-7， Report ARD 10-8， 2010.

[3]馬野，袁志丹，曹金鳳. ADINA有限元經典實例分析[M].機械工程出版社，2011.