基于ANSYS Workbench的外嚙合齒輪泵泵體有限元分析及優(yōu)化

方 波，楊麗華，屈盛官，李小強(qiáng)

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

引言

目前，外嚙合齒輪泵性能的研究主要涉及困油特性[1]、空化特性[2-3]、噪聲[4]、齒輪齒廓[5-6]、脈動(dòng)特性[7]等。齒輪泵最重要的性能指標(biāo)之一是工況下的容積效率，影響其容積效率的關(guān)鍵則是齒輪泵的內(nèi)泄漏問(wèn)題，包括端面泄漏、嚙合泄漏和徑向泄漏[8-9]。零件在工作時(shí)的變形情況影響間隙大小和泄漏，從而影響齒輪泵性能提升。張淵等[10]對(duì)兩種材料的泵體進(jìn)行仿真分析，得到溫度和壓力變化對(duì)泵體變形的影響；宋寶玉等[11]通過(guò)有限元方法對(duì)高速高壓小型圓弧齒輪泵泵體進(jìn)行分析，得到總變形量和等效應(yīng)力，并對(duì)泵體質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化；李永東等[12]為優(yōu)化低噪聲海水泵，對(duì)泵的關(guān)鍵零件進(jìn)行靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)有限元分析，分析其受力情況、振動(dòng)特性和動(dòng)力學(xué)特性。

本研究對(duì)理論設(shè)計(jì)后的齒輪泵主要零件泵體進(jìn)行ANSYS結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，模擬在實(shí)際工況下發(fā)生應(yīng)力、應(yīng)變和熱變形分布等情況。相較于直接進(jìn)行試驗(yàn)研究，能更加簡(jiǎn)單直觀獲得泵體受力和變形分布情況，從而為準(zhǔn)確進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供改進(jìn)方向，同時(shí)可以減少試驗(yàn)次數(shù)，降低齒輪泵研制成本。

1 有限元分析流程

有限元分析方法是工程應(yīng)用中廣泛使用的數(shù)值分析方法，ANSYS是一款功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，ANSYS Workbench是集成結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)熱等多種有限元分析模塊的協(xié)同仿真平臺(tái)，使用方便，功能強(qiáng)大[13]。越來(lái)越多學(xué)者通過(guò)結(jié)合有限元分析方法來(lái)模擬和提高齒輪泵的性能[14-15]。

利用ANSYS Workbench對(duì)齒輪泵泵體進(jìn)行靜力學(xué)和結(jié)構(gòu)熱綜合分析，研究泵體在油液工作溫度和油液壓力作用下的總體變形和應(yīng)力分布情況，工作原理流程圖如圖1所示。

圖1 齒輪泵泵體靜力學(xué)和結(jié)構(gòu)熱綜合分析的流程圖

2 有限元分析模型建立

本研究針對(duì)齒輪泵主要零件泵體進(jìn)行有限元分析，為了能更準(zhǔn)確的施加螺栓載荷及泵體與端蓋之間的接觸載荷，準(zhǔn)確模擬泵體的工作狀態(tài)的受載荷情況，同時(shí)建立了前端蓋和后端蓋模型進(jìn)行仿真。采用SolidWorks建立如圖2a所示的齒輪泵前后端蓋和泵體的三維模型并裝配成組件，將模型以中間格式導(dǎo)入ANSYS Workbench Geometry中。SpaceClaim具有便捷的模型簡(jiǎn)化和修復(fù)功能，可以方便地將不重要的結(jié)構(gòu)進(jìn)行刪除或修改，還能修復(fù)錯(cuò)誤線面、細(xì)小線面、合并曲面等，有利于模型后續(xù)劃分出高質(zhì)量網(wǎng)格。導(dǎo)入Geometry的幾何模型通過(guò)SpaceClaim修復(fù)簡(jiǎn)化后如圖2b所示。

圖2 幾何模型的建立及簡(jiǎn)化

高壓齒輪泵泵體材料采用鋁合金，通過(guò)擠壓鑄造的方法制造能有效提高工作壓力，減少滲漏[16]。本研究采用7系A(chǔ)l-Si合金材料7005，因其具有較好的機(jī)械性和熱穩(wěn)定性、耐高壓、重量輕、可靠性高等特點(diǎn)，兼顧了力學(xué)性能和鑄造性能，是目前應(yīng)用最廣泛的壓鑄鋁合金[17-19]。根據(jù)一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[20]，材料的各項(xiàng)屬性見(jiàn)表1。

表1 7005鋁合金材料屬性

用四面體網(wǎng)格單元通過(guò)智能網(wǎng)格劃分工具對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后總體網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為178884，單元數(shù)量為109826。

3 載荷及約束設(shè)置

高壓齒輪泵正常工作時(shí)油液溫度可達(dá)55 ℃，因此設(shè)置泵內(nèi)壁溫度邊界條件為55 ℃，暴露在環(huán)境中的外表面為簡(jiǎn)化的空氣熱對(duì)流，設(shè)置穩(wěn)態(tài)熱載荷及求解結(jié)果如圖3所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)熱載荷的設(shè)置及求解結(jié)果

高壓齒輪泵工作壓力可以達(dá)到25 MPa，供油壓力為2.5 MPa，即泵體出口容腔內(nèi)壁面的壓力為25 MPa，入口容腔內(nèi)壁面的壓力為2.5 MPa。而泵體內(nèi)壁面的壓力介于入口和出口壓力之間，不同位置壓力大小不同。利用流體分析模塊Fluent對(duì)齒輪泵內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到油液壓力的二維分布情況如圖4a所示，由此繪制泵體內(nèi)壁面壓力分布曲線如圖4b所示。結(jié)果表明，作用在泵體內(nèi)壁的油液壓力不是恒定的，而是遞增的，可以將其簡(jiǎn)化為線性遞增的壓力載荷。

圖4 齒輪泵內(nèi)流場(chǎng)仿真結(jié)果及泵體內(nèi)壁面壓力分布

常用齒輪泵為經(jīng)典三段式結(jié)構(gòu)，即殼體組件包括前端蓋、泵體和后端蓋3個(gè)部分。前端蓋與泵體、泵體與后端蓋為摩擦系數(shù)為0.2的有摩擦接觸，三者之間通過(guò)螺栓壓緊。螺栓強(qiáng)度等級(jí)為12.9，擰緊扭矩為84 N·m，預(yù)緊力為45200 N，將螺栓簡(jiǎn)化為等尺寸梁?jiǎn)卧ㄟ^(guò)施加螺栓預(yù)緊力的方式添加螺栓載荷。根據(jù)上述內(nèi)容設(shè)置約束及載荷如圖5所示。

圖5 靜力學(xué)約束及載荷的設(shè)置

4 結(jié)果分析

將穩(wěn)態(tài)熱分布作為載荷導(dǎo)入到靜力學(xué)計(jì)算中，采用系統(tǒng)自動(dòng)控制的求解器進(jìn)行求解計(jì)算，可以求解得到總應(yīng)力分布云圖如圖6所示，最大應(yīng)力發(fā)生在泵體出油口內(nèi)壁，最大應(yīng)力值σmax=166.25 MPa，顯然小于材料的屈服強(qiáng)度290 MPa，因此能滿足使用強(qiáng)度要求。

圖6 靜力學(xué)等效應(yīng)力分布云圖

考慮穩(wěn)態(tài)熱載荷的總變形云圖如圖7所示，最大變形量為0.11321 mm，發(fā)生在泵體出口附近。泵體的穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)變及總應(yīng)變分布云圖如圖8所示，最大熱應(yīng)變量為0.0003884 mm，最大總應(yīng)變量為0.0008322 mm。

圖7 泵體包含穩(wěn)態(tài)熱的總變形云圖

圖8 泵體的穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)變及總應(yīng)變分布云圖

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在控制齒輪泵重量前提下，為減小泵體變形，從結(jié)構(gòu)上對(duì)泵體進(jìn)行優(yōu)化。泵體最大變形發(fā)生在出油口處，進(jìn)油口和出油口處分別有4個(gè)安裝螺紋孔，出油口兩螺紋孔截面上對(duì)應(yīng)進(jìn)油口有2個(gè)螺紋孔，有效截面積降低，影響承載能力。因此，考慮將出油口4個(gè)螺紋孔旋轉(zhuǎn)45°，使其與進(jìn)油口螺紋孔錯(cuò)開(kāi)以提高泵體剛度。對(duì)修改后的泵體進(jìn)行相同設(shè)置的仿真計(jì)算，得到總變形和應(yīng)力情況如圖9所示，發(fā)生的最大變形量為0.033379 mm，最大應(yīng)力為131.78 MPa，改進(jìn)后的泵體總變形和應(yīng)力值都有所減低，說(shuō)明改進(jìn)方案可行。

圖9 優(yōu)化后的泵體仿真結(jié)果

6 結(jié)論

本研究模擬接近實(shí)際的工作溫度、油液壓力及受力，對(duì)在三者綜合作用下的泵體進(jìn)行有限元仿真，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，得出如下結(jié)論：

(1)泵體在出油口附近總體變形量較大，最大應(yīng)力發(fā)生在泵體出油孔內(nèi)壁；

(2)通過(guò)仿真結(jié)果分析，泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用能滿足強(qiáng)度安全使用要求；

(3)將泵體出油口對(duì)應(yīng)4個(gè)螺栓孔位置轉(zhuǎn)動(dòng)45°可以減小泵體的應(yīng)力及變形，達(dá)到優(yōu)化泵體結(jié)構(gòu)的目的。

有限元仿真為優(yōu)化泵體結(jié)構(gòu)提供思路，對(duì)于縮短研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量有一定的作用，同時(shí)為進(jìn)一步開(kāi)展試驗(yàn)研究提供參考。