發(fā)布時(shí)間：2017-03-30 08:22

  本文關(guān)鍵詞：離心泵葉輪葉片的有限元分析及優(yōu)化，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：離心泵在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，特別是在農(nóng)田水利灌溉方面，發(fā)揮了重要作用。隨著泵愈加廣泛的應(yīng)用，對(duì)其水力特性和運(yùn)行穩(wěn)定性的要求也越來越高。葉輪是離心水泵重要的過流部件，直接影響著泵的運(yùn)行狀況。葉輪工作在流動(dòng)介質(zhì)中，不僅受自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，還有流體在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下對(duì)葉片表面的沖擊作用，其受力狀況很復(fù)雜。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)利用統(tǒng)計(jì)方法得出葉輪的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，但是沒有注重對(duì)葉輪內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的數(shù)值模擬，不能得知葉輪在運(yùn)行中具體的受力情況，設(shè)計(jì)效率低。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和有限元分析（FEA）在旋轉(zhuǎn)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用，為內(nèi)部流場(chǎng)分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有效途徑。 本文研究了葉輪的三維建模、水泵內(nèi)的流場(chǎng)模擬、靜強(qiáng)度和模態(tài)分析以及葉輪幾何尺寸的優(yōu)化。(1)首先根據(jù)工況設(shè)計(jì)計(jì)算水泵主要過流部件葉輪和蝸殼的幾何尺寸，利用方格網(wǎng)保角變換法在Auto CAD中進(jìn)行葉片二維木模圖的繪制。通過木模圖提取葉片表面的關(guān)鍵點(diǎn)，在Pro/E中建立了葉輪和蝸殼的三維實(shí)體模型，采用曲面分析工具檢查了扭曲葉片的表面質(zhì)量，對(duì)不滿足光順要求的地方進(jìn)行了修改，，使葉輪的造型更加合理準(zhǔn)確。構(gòu)建了水泵內(nèi)部的流道模型，為流場(chǎng)分析打下基礎(chǔ)；(2)接著介紹了離心泵內(nèi)部湍流流動(dòng)數(shù)值模擬的相關(guān)理論，在ICEM CFD中對(duì)流道模型劃分網(wǎng)格和設(shè)定邊界條件。將定義好的網(wǎng)格導(dǎo)入到FLUENT中求解離心泵的內(nèi)部流場(chǎng)，較真實(shí)地反映了離心泵內(nèi)部流體的速度、壓力分布情況，得到了葉片表面上的壓力數(shù)據(jù)；(3)然后在Workbench中搭建流場(chǎng)分析與結(jié)構(gòu)分析的項(xiàng)目表,對(duì)離心泵葉輪進(jìn)行單向流固耦合分析。把流場(chǎng)分析輸出的壓力數(shù)據(jù)加載到葉片上，進(jìn)行葉輪靜力分析，得到了水壓力和離心力作用下葉輪的應(yīng)力應(yīng)變情況；并對(duì)葉輪做模態(tài)分析，查看葉輪在設(shè)計(jì)工況下的頻率振動(dòng)特性，判斷與周圍環(huán)境是否產(chǎn)生共振。計(jì)算結(jié)果表明設(shè)計(jì)工況下葉輪工作可靠；(4)最后以泵的能量損失(圓盤摩擦損失、容積損失和水力損失)最小和軸功率最小為目標(biāo)函數(shù)，編寫了多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的M文件，以葉輪外徑、葉片出口寬度和葉片出口安放角等影響水力性能的主要尺寸為設(shè)計(jì)變量，確定了變量的取值范圍，使用MATLAB工具箱對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，獲得了設(shè)計(jì)工況下的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)組合。代入目標(biāo)函數(shù)證實(shí)比優(yōu)化前效率提高了3.2%。 本文主要利用數(shù)值模擬技術(shù)和有限元分析法對(duì)葉輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，可提高葉輪的工作性能，縮短整體設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本。
【關(guān)鍵詞】：葉輪 Workbench 數(shù)值模擬 有限元分析 多目標(biāo)優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TH311
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-19
• 1.1 選題的背景和意義12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)13-17
• 1.2.1 設(shè)計(jì)進(jìn)展13-14
• 1.2.2 分析進(jìn)展14-15
• 1.2.3 優(yōu)化進(jìn)展15-17
• 1.2.4 測(cè)試進(jìn)展17
• 1.3 本課題的研究內(nèi)容和技術(shù)路線17-19
• 第二章 葉輪的設(shè)計(jì)計(jì)算及三維造型19-34
• 2.1 葉輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算及木模圖的繪制19-28
• 2.1.1 尺寸計(jì)算部分的程序編制19-21
• 2.1.2 繪圖部分的計(jì)算機(jī)輔助探討21-24
• 2.1.3 葉片出口角度 bt2 和精算葉輪外徑 D2 的關(guān)系24-26
• 2.1.4 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立葉輪尺寸參數(shù)的預(yù)測(cè)模型26-28
• 2.2 基于 Pro/E 的葉輪葉片的三維實(shí)體造型28-32
• 2.2.1 建立點(diǎn)文件并導(dǎo)入 Pro/E29
• 2.2.2 連接成曲線并混合成曲面29-30
• 2.2.3 檢驗(yàn)修正葉片曲面30-31
• 2.2.4 生成葉片實(shí)體并加上端蓋31-32
• 2.3 構(gòu)建流道流動(dòng)模型32-33
• 2.3.1 蝸殼模型的繪制32
• 2.3.2 離心泵內(nèi)部流道模型的繪制32-33
• 2.4 本章小結(jié)33-34
• 第三章 離心泵內(nèi)部流場(chǎng)分析34-45
• 3.1 FLUENT 軟件簡介34
• 3.2 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)34-39
• 3.2.1 CFD 及其求解過程34-36
• 3.2.2 CFD 流動(dòng)控制方程組36-37
• 3.2.3 描述流動(dòng)的湍流模型37-38
• 3.2.4 收斂判定條件38
• 3.2.5 邊界條件類型38-39
• 3.2.6 數(shù)值模擬的離散方法39
• 3.3 建立流動(dòng)網(wǎng)格模型39-41
• 3.3.1 計(jì)算網(wǎng)格的劃分40
• 3.3.2 定義邊界條件40-41
• 3.4 葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的求解41-44
• 3.4.1 在求解器 FLUENT 中的操作步驟41-42
• 3.4.2 FLUENT 后處理結(jié)果及其分析42-44
• 3.5 本章小結(jié)44-45
• 第四章 葉輪靜強(qiáng)度和模態(tài)分析45-58
• 4.1 有限元法及 ANSYS 軟件45-46
• 4.1.1 有限元方法45
• 4.1.2 ANSYS 有限元分析軟件45-46
• 4.1.3 ANSYS 有限元分析的步驟46
• 4.2 流固耦合理論46-47
• 4.3 有限元分析的預(yù)定義47-49
• 4.3.1 單位設(shè)置48
• 4.3.2 定義材料屬性48
• 4.3.3 單元類型設(shè)置48-49
• 4.4 建立葉輪有限元模型49-51
• 4.4.1 導(dǎo)入幾何模型49
• 4.4.2 有限元網(wǎng)格劃分49-51
• 4.5 定義約束和施加載荷51-52
• 4.6 結(jié)構(gòu)靜力分析52-54
• 4.6.1 葉片的靜力學(xué)方程52-53
• 4.6.2 求解并分析應(yīng)力應(yīng)變狀況53-54
• 4.7 模態(tài)分析54-56
• 4.7.1 葉輪模態(tài)分析54-55
• 4.7.2 結(jié)果分析55-56
• 4.8 本章小結(jié)56-58
• 第五章 基于損失極值法的葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化58-67
• 5.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型58-59
• 5.2 目標(biāo)函數(shù)的確定59-63
• 5.2.1 能量損失目標(biāo)函數(shù)59-62
• 5.2.2 軸功率目標(biāo)函數(shù)62-63
• 5.3 約束條件的確定63-65
• 5.4 基于 MATLAB 工具箱的優(yōu)化計(jì)算65-66
• 5.5 本章小結(jié)66-67
• 第六章 結(jié)論與展望67-69
• 6.1 結(jié)論67-68
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)68
• 6.3 展望68-69
• 參考文獻(xiàn)69-73
• 附錄73-83
• 附錄 173-76
• 附錄 276-78
• 附錄 378-80
• 附錄 480-83
• 致謝83-84
• 作者簡介84

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：離心泵葉輪葉片的有限元分析及優(yōu)化，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：276666