轴流泵叶片流固耦合振动特性分析

摘要

轴流泵叶轮是轴流泵能量转换的核心部件，它的安全可靠直接关系到泵站的安全运行。因此，对其进行流固耦合振动特性分析对轴流泵的优化设计、稳定运行、防止事故发生具有重要的理论意义及工程实际意义。本文主要研究轴流泵叶轮叶片的刚强度、振动特性和叶轮变形后对扬程、轴功率、效率的影响。 本文以轴流泵叶轮为研究对象，根据轴流泵的运行工况，研究其力学和数学模型、受力分析、边界条件及计算载荷的简化和施加方法。运用ANSYS软件针对轴流泵叶片进行结构计算分析。在结构分析过程中，考虑到轴流泵叶片的结构特点和工作性质，采用十节点SOLID92单元建立了叶片的有限元模型。考虑离心力、重力及流场对叶片产生的水压力对叶片施加载荷。考虑水压力分布涉及到流固耦合问题，将叶片放入CFX软件中进行的流场模拟，然后计算出叶片上的水压力，使用APDL参数化设计语言，自动将其加载。在完成叶片载荷的施加之后，基于ANSYS软件对叶片在不同工况水压力下分别进行刚强度分析及振动特性分析，得到了叶片的刚强度及模态等重要力学特性参数。 计算结果表明叶片中最大等效应力出现在叶片根部进水侧，在该部位应力的变化梯度较大，易于发生疲劳破坏；而在叶片外缘也有一定的等效应力，使得叶片变形最大的部位是叶片的外缘，即此部位就是叶片振动的敏感区域。而叶轮在空气中的模态和叶轮在水压力和离心力作用下的模态变化不大，说明水压力和离心力对叶轮模态的影响很小。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

1绪论

1.1研究的背景及问题的提出

1.2研究的目的和意义

1.3国内外研究现状

1.3.1流固耦合研究的发展概况

1.3.2 ANSYS软件在研究叶片刚强度与振动方面的现状

1.4研究的主要内容和技术路线

2轴流泵叶片水压力计算

2.1概述

2.2轴流泵内部三维流动的数学模型

2.3计算模型

2.4计算步骤

2.5计算结果

2.6结果分析

2.7小结

3轴流泵叶片刚强度分析

3.1概述

3.2有限元分析

3.3叶片静力分析的有限元方程及流固耦合处理方法

3.3.1离心力场下叶片静力平衡方程

3.3.2叶片的静力平衡方程

3.3.3叶轮流固耦合问题的处理方法

3.4叶轮计算模型的建立

3.4.1叶轮的CAD建模

3.4.2单元选择

3.4.3网格的划分

3.4.4荷载的施加与求解

3.5计算结果

3.6结果分析

3.7小结

4轴流泵叶片振动特性分析

4.1概述

4.2叶轮模态分析的理论基础

4.2.1叶轮结构系统的动力方程

4.2.2叶轮模态分析的数学模型

4.2.3叶片动频计算

4.3模态分析特征值的求解方法

4.4轴流泵叶轮振动特性分析实例

4.4.1计算模型

4.4.2空气中叶轮振动特性分析

4.4.3旋转离心力对叶轮振动特性的影响

4.4.4水压力对叶轮振动特性的影响

4.4.5水中叶轮振动特性分析

4.5小结

5轴流泵叶轮流固耦合分析

5.1概述

5.2流固耦合的有限元方程

5.3计算模型

5.4计算结果

5.5结果分析

5.6小结

6结论与展望

参考文献

致谢