基于ANSYS 的隔膜室盖强度分析与结构改进措施

于立生 张立华

（中国有色（沈阳）泵业有限公司）

设计与计算

基于ANSYS 的隔膜室盖强度分析与结构改进措施

于立生*张立华

（中国有色（沈阳）泵业有限公司）

隔膜室盖是大流量、高压力隔膜泵液力端的关键部件。在隔膜室盖的设计中，应着重考虑隔膜室盖所受内腔压力对局部应力集中和变形的影响，以保证隔膜泵液力端运行的安全性和高运转率。以某大型隔膜泵液力端隔膜室盖为研究对象，利用有限元分析软件ANSYS进行强度分析和校核，并提出结构改进的措施。

隔膜泵 隔膜室盖 强度分析 结构改进 应力 变形 ANSYS

0 前言

大流量、高压力隔膜泵作为两相及多相流体输送的核心设备，目前在有色金属、长距离石油输运等诸多领域已得到日益广泛的应用[1]。在隔膜泵液力端中，其组成部件主要包括隔膜腔与隔膜室盖、腔体及油缸、进出料焊接管道和连接紧固件等。其中隔膜室盖与隔膜腔通过连接螺柱与螺母装配形成隔膜室装配体。在实际运行过程中受到内腔的流体压力和装配螺栓力的协同作用，在隔膜室盖局部圆角位置容易形成应力集中。因此，在隔膜泵液力端设计过程中应根据实际工况对其进行结构强度分析，保证隔膜室盖满足设计要求，确保其使用的安全性与稳定性，从而提高其连续运转率。

隔膜室盖是大流量、高压力隔膜泵液力端的关键部件。本文通过设置合理的边界条件，并利用有限元分析软件ANSYS对隔膜室盖进行强度分析与校核。同时，以计算分析结果为参考，提出改进隔膜室盖结构强度的可行性措施，从而实现隔膜室盖的结构优化和设计的降本增效。本文研究的结论对大流量、高压力隔膜泵中液力端隔膜室盖的设计与优化具有一定的参考意义。

1 隔膜室盖强度分析

1.1 隔膜室盖的几何模型与边界条件

隔膜室盖所用材质为ZG20Mn，其机械性能如下：σb=510 MPa，σs=295 MPa。本文利用大型三维建模软件SolidWorks建立高压隔膜泵液力端隔膜室盖的三维几何模型，如图1所示。然后，利用ANSYS软件对隔膜室盖进行强度分析，进而对其结构强度进行分析与评价。

图1 大型隔膜泵液力端隔膜室盖三维模型

采用专业前处理软件对模型进行前处理。由于该模型为轴对称结构，为使计算流程简化、计算方法合理并降低计算规模、提高求解效率，在前处理时只需对二分之一模型进行分析[2]。在隔膜室盖前处理中还简化了对结构强度影响较小的细节，并在区域离散化过程中将几何变形较大和应力集中区域进行网格加密处理，从而降低了计算误差。单元形式选用适应性较强的四面体单元，单元类型采用Solid 45；节点共计53 881个，单元共43 366个。

依据隔膜室盖在用户使用现场的实际受力情况来确定有限元分析的边界条件。具体内容如下：根据隔膜泵液力端的实际工作压力将其加载到隔膜室盖内表面；对各对称面和端面定义方向约束 （如图2所示）。

1.2 隔膜室盖的强度分析与校核

经ANSYS有限元分析，得到该隔膜泵液力端隔膜室盖的应力分布图和变形分布图如图3和图4所示。

2 隔膜室盖的强度校核

查文献[2]可知，隔膜室盖静强度计算式为：

图2 隔膜室盖边界条件

图3 隔膜室盖有限元分析应力分布云图

图4 隔膜室盖有限元分析变形分布云图

根据 《机械设计手册》[3]中的相关内容可知，类似于隔膜室盖一类的承压部件的静强度许用安全系数 [S]=3.3～4.8，隔膜室盖静强度安全系数S＞[S]min，故隔膜室盖满足静强度要求。

此外，还需对隔膜室盖疲劳强度进行校核。选取应力集中系数K=1，尺寸系数ε=0.68，表面加工系数β=0.86。引入平均应力影响系数的概念，其计算式如下：

计算平均应力与应力幅为：

计算得出疲劳安全系数为：

隔膜室盖疲劳强度许用安全系数 [Sa]=1.8～2.5，隔膜腔疲劳强度安全系数Sa＞[Sa]min，故隔膜室盖满足疲劳强度要求。

3 结论

（1）经有限元计算可知，隔膜室盖的最大应力出现在上下对中螺纹孔处，最大变形位于隔膜室盖的中心位置，故应对隔膜室盖中心部位进行加厚，使变形量得到控制并防止料浆泄漏。

（2）从强度分析的结果来看，隔膜室盖满足理论分析的静强度和疲劳强度要求。

（3）从计算结果可知，隔膜室盖螺栓孔附近为较大的应力集中处，此处易产生裂纹并发生裂纹扩展。

（4）防止裂纹产生和扩展的方法包括防止并控制隔膜室盖铸造缺陷、提高螺纹孔处表面加工精度和降低局部应力集中。

[1]凌学勤.DGMB、SGMB系列往复式隔膜泵在氧化铝工艺流程中的应用 [J].有色设备，2003（2）：1-4.

[2]李大磊，赵玉奇，张志林.SolidWorks高级功能与工程应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.

[3]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2010.

CNKI推出《中国高被引图书年报》

最近，中国知网（CNKI）中国科学文献计量评价研究中心推出了一套 《中国高被引图书年报》，该报告基于中国大陆建国以来出版的422万余本图书被近3年国内期刊、博硕、会议论文的引用频次，分学科、分时段遴选高被引优秀学术图书予以发布。据研制方介绍，他们统计并分析了2013-2015年中国学术期刊813万余篇、中国博硕士学位论文101万余篇、中国重要会议论文39万余篇，累计引文达1451万条。根据统计数据，422万本图书至少被引1次的图书达72万本。研制方根据中国图书馆分类法，将72万本图书划分为105个学科，分1949-2009年和2010-2014年两个时间段，分别遴选被引最高的TOP 10%图书，共计选出70911本优秀图书收入 《中国高被引图书年报》。统计数据显示，这7万本高被引优秀图书虽然只占全部图书的1.68%，却获得67.4%的总被引频次，可见这些图书质量上乘，在同类图书中发挥了更加重要的作用。该报告还首次发布各学科 “学科h指数”排名前20的出版单位的评价指标，对客观评价出版社的社会效益，特别是学术出版物的社会效益，具有重要的参考价值。该报告从图书被引用的角度出发，评价图书的学术影响力，弥补了以销量和借阅等指标无法准确评价学术图书的缺憾，科学、客观地评价了图书、图书作者以及出版单位对各学科发展的贡献。

《中国高被引图书年报》把建国以来出版图书全部纳入评价范围属国内首创，是全面、客观评价图书学术影响力的工具，填补了目前图书学术水平定量评价的空白，在帮助图书馆建设特色馆藏和提高服务水平、帮助出版管理部门了解我国学术出版物现状、帮助科研机构科研管理、帮助读者购买和阅读图书等方面，均具有较强的参考价值，也为出版社评估出版业绩、决策再版图书、策划学科选题提供有用的信息。

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Strength Analysis and Structural Improvement Measures of Diaphragm Housing Cover Based on ANSYS

Yu LishengZhang Lihua

The diaphragm housing cover is a critical component in fluid end of the large flow and high pressure diaphragm pump.In the design of diaphragm housing cover,the influence of the inner pressure on the local stress concentration and deformation should be considered in order to ensure the safety and high operation rate of the fluid end operation of the diaphragm pump.Taking the diaphragm housing cover in fluid end of a large diaphragm pump as the object of study,the strength analysis and verification are carried out by using the finite element analysis software ANSYS,and the measures for improving the structure are put forward.

Diaphragm pump;Diaphragm housing cover;Strength analysis;Structure improvement;Stress;Deformation;ANSYS

TH 32

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.08.003

2016-12-20）

*于立生， 男，1980年生，工程师。沈阳市，110144。