基于ADINA的大型隔膜泵下箱体的强度分析与结构改进

孙磊

（中国有色（沈阳）泵业有限公司， 辽宁 沈阳 110144）

1概述

大型隔膜泵作为固-液两相介质输送的核心设备，在冶金、石油化工和长距离管道输送等领域得到了日益广泛的应用。大型隔膜泵动力端主要由下箱体、曲轴、连杆和十字头等关键部件所组成。其中，下箱体的轴承支撑由于受到大吨位曲轴反作用力以及下导板座承受十字头的正压力，使其在下箱体板材的局部焊接位置容易生破坏。因此，为保证大型隔膜泵在用户现场正常、稳定、安全的运行，在下箱体的设计过程中应对其进行强度分析，以确保其静强度和疲劳强度满足设计要求。本文采用大型有限元分析软件ADINA对大型长距离管道输送用隔膜泵动力端下箱体（工况活塞力为140T）进行强度分析与校核，得出最大应力值及其位置等参数。并对下箱体结构进行改进，以达到优化结构、降本增效的目的，其分析结论对隔膜泵下箱体及其相关产品的设计与研发具有一定的理论指导意义。

图2 .1大型隔膜泵下箱体三维几何模型图

图2 .2导入ADINA的隔膜泵下箱体网格图

2大型隔膜泵下箱体强度分析

2.1 下箱体几何模型与边界条件

采用三维几何建模软件SolidWorks装配得到大型隔膜泵动力端下箱体的三维几何模型如图2.1所示，其结构主要由不同厚度的金属板材（板材厚度分别为30mm、35mm和 40mm；所 用 材 质 为Q345B）经焊接构成。Q345B的机械性能为：

动力端下箱体运行过程中的破坏主要表现为金属板材之间局部焊接位置的应力集中，使用有限元分析软件ADINA对该下箱体进行强度分析，进而对其结构强度进行校核。

采用专用前处理软件对大型隔膜泵下箱体三维几何模型进行前处理，为降低计算规模、提高求解效率，在Solid-Works中对不同厚度的金属板材部件进行中面抽取。前处理过程中将下箱体轴承支撑、箱体前板等部件划分为三维四面体单元；对抽取中面的金属板材部件划分为二维四边形单元，通过定义二维单元的厚度来赋予金属板材厚度。共得到节点63820个，单元50362个，将前处理网格导入ADINA中如图2.2所示。

根据下箱体的实际受力情况定义有限元分析的边界条件如下：根据隔膜泵曲轴吨位（140T）将其对轴承支撑的反作用力加载到轴承支撑的内表面；将十字头正压力均匀分布在下导板座上；对下箱体底板处定义全约束。

2.2 下箱体强度分析与校核

经ADINA有限元分析，得到该大型隔膜泵下箱体的应力分布图如图2.3所示。

由应力分布云图可知，隔膜泵下箱体的最大应力出现在第二轴承支撑与金属板材的焊接位置处，最大应力值为69.373MPa，局部应力分布图如图2.4所示。

根据分析结果对下箱体的静强度和疲劳强度系数进行计算，经验公式如下：

静强度安全系数：

图2 .3 隔膜泵下箱体应力分布云图

图2 .4 最大应力位置局部示意图

图2 .5 改造方案一下箱体应力分布云图

图2 .6 改造方案一的最大应力位置局部示意图

图2 .7 改造方案二下箱体应力分布云图

图2 .8 改造方案二的最大应力位置局部示意图

S——机械零件的静强度安全系数；

σs——机械零件所使用材质的屈服强度，MPa；

σmax——机械零件所受最大应力值，MPa；

Sa—— 机械零件的疲劳安全系数；

σ-1——材料的疲劳极限，MPa；

Kσ——机械零件的应力集中系数；

ε——机械零件的尺寸系数；

β——机械零件的表面加工系数。

经查机械设计手册可得到下箱体的应力集中系数、尺寸系数和表面加工系数分别为1.0、0.88和0.9。将各参数代入上述公式计算可得下箱体的静强度安全系数和疲劳安全系数分别为4.2和3，而同类产品要求静强度安全系数应为1.7~2，且疲劳安全系数应大于2.5]。由此可知该种下箱体结构能够满足强度要求。

为实现下箱体结构的优化，达到降本增效的目的，现对下箱体进行结构改造，两种改造方案分别称为改造方案一和改造方案二，改造方案一是将下箱体中所有厚度为40mm的金属板材改为为厚度35mm；改造方案二则是将每种厚度的金属板材均减薄5mm。上述两种结构的下箱体强度分析结果分别如图2.5~2.8所示。两种改造结构的最大应力和安全系数汇总如表2.1所示

结语

1根据有限元分析软件ADINA对长距离管道输送用大型隔膜泵动力端下箱体进行强度分析的结果表明：隔膜泵下箱体的最大应力出现在轴承支撑与金属板材的焊接位置附近，这与用户使用现场的损坏位置相一致。

2根据对不同结构隔膜泵下箱体强度分析与校核结果可知。原有结构和两种改造结构的下箱体均能满足设计强度要求，但改造方案二所使用的金属板材厚度较其他两种结构更薄，生产制造成本更低，因此采用该种结构制造下箱体可达到降本增效的目的。

3采用抽取中面的方式对构成下箱体三维模型中的金属板材进行前处理，以及通过赋予二维单元厚度的方式来定义不同的金属板厚等方法降低了有限元分析的计算规模并提高了求解效率，缩短了产品的设计研发周期，对其它同类产品的研发具有一定的借鉴意义。

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