基于ANSYS非线性屈曲的隔膜泵活塞杆有限元分析

2013-05-11杨久宝

中国新技术新产品 2013年10期

杨久宝

（中国有色(沈阳)冶金机械有限公司设计研究所，辽宁沈阳 110141）

隔膜泵系列产品是用于长距离管道化输送固液两相介质的核心设备。其工作原理为：电动机通过减速机驱动曲轴、连杆、十字头，使旋转运动转为直线运动，带动活塞进行往复运动。液力端利用活塞、活塞杆、隔膜运动以及进出料单向阀开闭完成料浆的输送工作。活塞杆与动力端中的介杆连接，由卡箍锁固后,通过与十字头连动拉动活塞进行往复运动，利用油压推动隔膜使料浆通过隔膜室及进出料阀箱吸入和排出。

活塞杆是活塞和十字头间的连接件，在高压大流量的三缸单作用隔膜泵中，活塞杆承受全部的活塞推力。因此有必要对活塞杆进行有限元强度分析和稳定性分析。本文借助大型通用有限元软件ANSYS12.0对其进行了静强度和屈曲分析。

1 有限元模型建立

本文对活塞力为600KN的活塞杆进行分析。根据活塞杆的结构形状特点,采用轴对称模型，以实体单元plane182单元划分，单元网格大小为2，共划分12886个单元。图1为活塞杆网格划分图。

2 工况及载荷计算

3 结果分析

图1 活塞杆网格划分图

图2 活塞杆去程应力云图

图3 活塞杆回程应力云图

图4 活塞杆屈曲分析载荷及边界条件

对两种工况的活塞杆进行强度计算。结果显示：去程最大应力集中在活塞杆与活塞接触面台肩下圆角处，且最大等效应力为119.658MPa。回程最大应力集中在活塞杆与介杆连接端台肩圆角处，且最大等效应力为32.471MPa。活塞杆材料为42CrMoA,抗拉强度 σb=800MPa,取安全系数为 3.5，则许用应力［σ］=228MPa。考虑最大活塞力时活塞杆应力小于许用应力，说明设计能满足工作的强度要求。对于应力集中的位置,可以通过增大连接处的过渡圆角来减小应力集中,提高活塞杆的强度（如图 2、图3）。

4 非线性屈曲分析

屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状（结构发生屈曲响应时的特征形状）的技术，非线性屈曲分析是一种典型而且重要的几何非线性分析。其用于对实际结构的设计，该方法用一种逐渐增加载荷的非线性静力分析技术来求得使结构开始变得不稳定时的临界载荷。应用非线性技术，模型中可以包括诸如初始缺陷、塑性、间隙、大变形响应等特征。

以特征值的屈曲形状为基础定义初始几何缺陷的步骤如下：

（1）建立没有初始几何缺陷的模型；

（2）进行特征值屈曲分析；

（3）用UPGEOM或UPCOORD命令来施加几何缺陷；

（4）进行非线性屈曲分析。

活塞杆屈曲分析采用BEAM189单元进行网格划分，在右端施加1N单位载荷,约束左端所有位移，右端除轴向的所有位移，如图4所示。图5是活塞杆屈曲模态图，图6是活塞杆失稳变形的载荷位移曲线，由结果可知，当活塞力大于时，活塞杆会发生失稳断裂，而该活塞杆的最大设计力为 ,远小于活塞杆产生失稳现象的最小力，所以活塞杆的设计满足稳定性要求（如图 4、图 5、图 6）。