单螺杆泵的运动学仿真、有限元模拟及结构优化

摘要

单螺杆泵在油田固井添加剂的输送中起着关键作用，但在实际应用中经常出现的问题是泄漏回流和定子耐磨性较差，为了提高螺杆泵力学性能，研究其运行方式，定子内腔变形和磨损情况具有重要的现实意义。 螺杆泵的主要工作部件为转子和定子，其外部型面复杂，运动方式较为特殊。本论文阐述了螺杆泵的基本原理，得到了螺杆泵转子、定子的型线方程和接角密封线的数学表达式，解释了密封腔的形成机理，进而从运动学的角度分析了密封腔的运动情况和转子在定子衬套中的运动规律。 在基本原理的基础上，利用三维建模软件Solidworks对螺杆泵转子和定子进行参数化实体建模，并利用运动学分软软件COSMOSMotion对转子和定子进行了仿真分析，得到了转子在定子衬套中运动时各点的轨迹、位移、速度和加速度曲线。 利用有限元分析软件ANSYS对螺杆泵定子进行了结构静力分析和转子与定子之间的接触分析，研究了定子橡胶衬套内轮廓线的变形规律、应力和应变分布情况。研究了均匀内压作用下的情况，再考虑工作压差以及定子与转子的接触所引起定子橡胶的变形和受力的变化。最后，以分析结果为依据，提出了两种改进方案，通过对改进后的螺杆泵定子进行有限元分析，说明了优化后的螺杆泵较改进前在密封性能和耐磨性能上有了较大的提高。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1单螺杆泵的介绍与应用

1.2本课题研究的目的和意义

1.3单螺杆泵的发展及研究现状

1.3.1圈外研究状况

1.3.2国内研究状况

1.4本课题研究的主要内容

1.4.1论文的基本研究思路

1.4.2论义的基本研究内容

第二章 单螺杆泵的基本原理

2.1引言

2.2单螺朴泵的结构

2.3单螺杆泵的工作原理

2.4螺杆泵的特性

2.5螺杆的型线方程

2.6定子衬套的型线方程

2.7螺杆转子与定子衬套轴向截面曲线的差异

2.8密封曲线方程与密封腔的运动学分析

2.8.1密封腔的形成

2.8.2密封曲线方程

2.8.3密封腔的运动学分析

2.9转子存在定子衬套中的运动规律

2.9.1 截面中心点的运动分析

2.9.2转子外表面上点的运动分析

2.10本章小结

第三章 螺杆泵的运动仿真分析

3.1 引言

3.2虚拟样机技术

3.3螺杆泵转子和定子的参数化建模

3.3.1 SolidWorks简介

3.3.2螺杆泵转子参数化建模

3.3.3螺杆泵定子参数化建模

3.3.4缸套、衬套与转子的正确装配

3.4利用COSMOSMotion进行单螺杆泵运动仿真

3.4.1 COSMOSMotion软件简介

3.4.2仿真运动的实现

3.4.3 对螺杆泵仿真结果的分析

3.5 本章小结

第四章螺杆泵定子的有限元分析

4.1 引言

4.2有限单元法基本理论及发展

4.2.1 有限单元法理论

4.2.2有限单几法发展

4.2.3有限单元法常用术语

4.2.4有限元分析基本步骤

4.3 ANSYS软件基本介绍

4.3.1 ANSYS的发展过程

4.3.2 ANSYS软件的主要特点

4.3.3 ANSYS软件的分析步骤

4.4 ANSYS软件在本课题中的应用

4.5螺杆泵有限元分析

4.5.1 结构静力分析

4.5.2 结构非线性分析-转子与定子的接触分析

4.6 本章小节

第五章螺杆泵定子的优化设计

5.1 引言

5.2 内凸定子螺杆泵

5.2.1 结构改进提出的依据

5.2.2改进后定子型线方程

5.2.3 内凸定子螺杆泵有限元分析

5.3等壁厚定子螺杆泵

5.3.1 等壁厚定子螺杆泵的提出

5.3.2均匀工作压力下等壁厚定子的位移、应力和应变分布

5.3.3均匀工作压力下定子型线变形规律

5.3.4 非均匀工作压力下等壁厚定子的位移、应力和应变分布

5.4 本章小节

结论与展望

参考文献

致谢

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