基于UG的葉輪疲勞分析

朱紅波 謝 磊

（1.河南工業和信息化職業學院，河南 焦作 454000；2.鄭州煤礦機械集團股份有限公司，河南 鄭州 450000）

統計資料表明，零件在使用過程中的斷裂，約有60%～80%屬于疲勞斷裂。其特點是斷裂時應力低于材料的抗拉強度或屈服極限。不論是脆性材料還是延性材料，其疲勞斷裂在宏觀上都表現為無明顯塑性變形的脆性斷裂。疲勞計算是基于結構裂紋損傷積累的原理，根據應力-壽命（S-N）曲線圖或者應變-壽命（E-N）曲線圖來評估零件的疲勞壽命，計算過程中將輸入數據處理成峰頂或者峰谷，對循環周期進行計數，從而計算出結構的疲勞壽命［1］。

1 問題描述

葉輪是離心式水泵的主要部件。其作用是將電動機輸入的機械能傳遞給水，主要是靠離心力的作用把能量傳遞給水，以提高水的壓力能和動能。圖1 為閉式葉輪結構示意圖，主要由前盤、后盤、葉片和輪轂組成，由灰口鑄鐵或鑄鋼鑄造加工而成。D型泵葉輪葉片數目一般為5～7片，并采用后彎扭曲葉片，以減小動壓增大靜壓。葉輪的制造和加工精度對水泵的效率有重要的影響，是水泵的易損件。

圖1 葉輪

2 葉輪疲勞仿真分析

2.1 創建有限元模型

依次單擊高級仿真命令，在仿真導航器窗口的分級樹中，單擊葉輪模型文件對應的節點，進行新建FEM相關操作；彈出的新建FEM對話框，默認求解器和分析類型中的選項，即可創建有限元模型。

圖2 網格劃分結果

2.2 指派材料屬性及劃分網格

給有限元模型指派材料為Iron_Cast_G40，密度：7.15e-006，楊氏模量：14000，泊松比：0.25，屈服強度：345MPa，極限抗拉強度：570MPa，疲勞強度系數：645 MPa，疲勞強度指數：-0.078，疲勞韌性系數：0.037，疲勞韌性指數：-0.457。創建3D 網格收集器：Solid（1）。對模型創建3D四面體10節點網格，單元格系統自動指派大小為22.1mm。為了分析的精確性和后處理的需要。手動指派網格大小為4mm，對網格精細劃分。網格收集器手動選擇為Solid（1），然后其他選項保存默認。網格劃分結果如圖2 所示，網格類型：3D，網格中的單元數：125509，網格中的節點數：221863。對有限元模型網格劃分進行質量檢查，結果：0個失敗，0個警告，說明網格劃分質量很高，符合要求。

2.3 創建仿真模型與解算方案

在仿真導航器中，右擊fem 文件節點，新建sim 仿真文件，在模板列表中選擇NX NASTRAN，默認其他的選項設置。在解算方案欄下保持求解器為NX NASTRAN，分析類型為結構，解算方案類型選擇SOL 101 Linear Statics-Global Constraints，同時激活單元迭代求解器；激活啟用STRAIN（應變）請求選項［2-3］。

2.4 施加邊界條件和約束

在仿真導航器里面選擇sim節點作為工作部件，對葉輪模型軸內孔施加用戶定義約束，選擇圓柱坐標系，對DOF1、DOF2、DOF3設定為固定，其他自由度保持默認設置。對模型施加離心載荷，角速度為1480r/min；然后在模型的7個葉片上施加2MPa的壓力載荷。

2.5 方案求解及后處理

對方案進行求解，迭代求解器收斂，對分析質量進行檢查，可信度為90%。得到單元節點的馮氏應力云圖，如圖3所示，由應力云圖可知，最大馮氏應力值為227.47MPa，主要集中于葉輪入水口葉片與輪轂交匯處，局部區域存在應力集中現象，且最大應力遠小于材料的屈服強度值345MPa，說明材料受載變形還處于彈性變形階段。

圖3 單元節點的馮氏應力云圖

圖4 單元節點疲勞壽命云圖

2.6 疲勞分析

下面在上述結構線性靜力學分析的基礎上，按照疲勞分析操作流程，依次選取應力準則、疲勞壽命準則，定義激勵類型，計算結構在該工況條件下的疲勞壽命，通過各種結果顯示方式，來評估該結構的疲勞性能。

新建解算方案，選擇耐久性命令。默認耐久性求解過程名稱為Durability 1。右鍵單擊仿真節點Durability 1，選擇新建事件下的靜態耐久性事件，默認事件名稱為Static Event 1 及靜態解列表為Solution 1-SOL 101 SCS。激勵類型下強度、軸搜索和解算選項標簽下內容保存默認；疲勞標簽下，疲勞壽命輸出下，疲勞安全系數輸出選擇Cerber，其他保存默認。

新建激勵，默認名稱Load Pattern 1，圖樣選擇完全單位周期，其他保持默認。求解得單元節點疲勞壽命云圖，如圖4 所示，可以看出最大工作壽命為1.0E+036個工作周期，最小工作壽命為1.35E+006個工作周期，可以看出，靠近葉片與輪轂交匯處區域上的壽命最小，也就是意味著這些區域容易遭受疲勞破壞；得單元節點疲勞安全系數云圖，如圖5所示，最大安全系數值為4.91E+003，最小安全系為0.078，在最小安全系數區域結構最容易產生裂紋和破壞；得單元節點強度安全系數云圖，如圖6 所示，強度安全系數最大值為5 790.77，強度安全系數最小值為2.72，從圖3 和圖6 對比可以發現，強度安全系數越小的區域，載荷作用過程中的應力水平越高，在設計的時候需要注意，由于最小安全系數為2.72，表明葉輪整體強度滿足設置工況的要求。

圖5 單元節點疲勞安全系數云圖

圖6 單元節點強度安全系數云圖

3 結語

本文在解算結構線性靜力學應力和應變響應值基礎上，創建耐久性分析方案，采用無限壽命法進行結構的疲勞壽命設計，選取合理的疲勞壽命準則，計算了在工況壓力和轉速下的結構疲勞壽命，通過多種評價指標預估了模型的疲勞性能。

［1］劉婕.流體機械［M］.北京：煤炭工業出版社，2012.

［2］胡仁喜，康士廷.UG NX8.5 動力學與有限元分析從入門到精通［M］.北京：機械工業出版社，2014.

［3］沈春根，王貴成，王樹林.UG NX7.0有限元分析從入門與實例精講［M］.北京：機械工業出版社，2010.