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料渣泵工程陶瓷叶轮的强度分析及有限元仿真研究

作　者: 李要锋
导　师: 刘传绍
学　校: 河南理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 料渣泵陶瓷叶轮受力分析有限元仿真
分类号: TH311
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

在电厂、钢铁、水泥、造纸等行业中都会大量使用到料渣泵,因输送的液体介质中含有大量的酸性介质和硬质颗粒,这些设备的过流部件,常受到强烈的冲刷腐蚀,尤其是其心脏部件叶轮,磨损速度比其它部位更为严重。据统计,使用普通的碳钢或一般耐磨钢16Mn制造的叶轮,一般使用寿命只有半年,最短的只有几十天,虽然使用过各种表面防磨措施如堆焊,喷涂,喷焊、涂覆高分子耐磨材料等,使用寿命也难以得到显著提高。陶瓷材料具有高强度、高硬度、低密度、低膨胀系数以及耐磨、耐腐蚀、隔热、化学稳定性好等优良特性,已成为广泛应用于航天航空、石油化工、仪器仪表、机械制造及核工业等领域的新型工程材料。本课题研究的目的是通过研制工程陶瓷叶轮来提高料渣泵叶轮的使用寿命,以节约备件费用,降低生产成本,提高经济效益。本文首先采用二次算法原理对料渣泵离心式叶轮进行受力分析,得到理论上叶轮工作时的受力大小。然后建立工程陶瓷叶轮有限元模型,对工程陶瓷叶轮在空转、工作时的受力分别进行有限元分析,把得到的结果与理论分析结果相比较,确定叶轮的受力大小和分布状况。结果表明：有限元仿真计算结果与理论计算结果基本一致,叶轮叶片和轮彀部位受到应力最大,完全使用氧化铝陶瓷材料来代替金属材料制造料渣泵叶轮,可以保证叶轮在正常工作时有足够的强度,为工程陶瓷叶轮的研制奠定基础。除此之外,本文还对陶瓷叶轮的烧结方法进行了阐述,并对烧结后的残余热应力分布状况进行了仿真分析,得出了烧结后叶轮热应力的分布状况和变形合位移的大小。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-23
  1.1 课题背景  9-12
    1.1.1 料渣泵的分类  9-11
    1.1.2 料渣泵的应用  11-12
  1.2 料渣泵的磨损失效分析  12-15
  1.3 陶瓷材料概述  15-16
    1.3.1 陶瓷材料的发展及特点  15
    1.3.2 工程陶瓷材料定义  15-16
    1.3.3 工程陶瓷的化学键构成  16
  1.4 料渣泵陶瓷叶轮材料的选择  16-19
  1.5 陶瓷叶轮的研究现状  19-23
2 料渣泵叶轮的水力设计方法  23-33
  2.1 料渣泵叶轮水力设计理论和原则  23-24
    2.1.1 叶轮设计的目的  23-24
    2.1.2 叶轮设计的原则  24
  2.2 料渣泵的水力设计方法  24-26
    2.2.1 国外的设计方法  24
    2.2.2 国内设计方法  24-26
  2.3 叶轮设计中需要解决的问题及对策  26-29
    2.3.1 叶轮设计中需要解决的几个问题  26
    2.3.2 解决叶片头部冲蚀磨损的对策  26-29
  2.4 对叶轮制造工艺性的分析  29
  2.5 泵叶轮主要参数的选择和计算  29-31
    2.5.1 泵的主要设计参数  29-30
    2.5.2 叶轮的主要参数设计  30-31
  2.6 本章小结  31-33
3 陶瓷叶轮应用可行性的理论分析和设计  33-49
  3.1 叶轮强度的二次算法  33-38
    3.1.1 轮盘轮盖应力分析  33-37
    3.1.2 二次算法原理概述  37-38
  3.2 叶轮强度的理论分析  38-44
    3.2.1 叶轮轮彀的强度分析  38-40
    3.2.2 叶轮叶片的强度分析  40-44
    3.2.3 叶轮的使用安全系数的确定  44
  3.3 叶轮轮彀与转动轴连接部位设计  44-47
    3.3.1 金属套设计方案的提出  44
    3.3.2 金属套的设计  44-45
    3.3.3 叶轮轮彀与金属套装配应力的分析  45-47
  3.4 本章小结  47-49
4 陶瓷叶轮装配应力和工作应力的有限元分析  49-65
  4.1 ANSYS软件有限元分析的基本过程  49-50
    4.1.1 有限元软件概述  49-50
  4.2 陶瓷轮彀与金属套装配应力的Ansys模拟分析  50-54
    4.2.1 金属套装配应的有限元分析  50-52
    4.2.2 陶瓷叶轮装配应力的有限元分析  52-54
  4.3 陶瓷叶轮强度的有限元分析  54-60
    4.3.1 陶瓷叶轮的有限元模型  54-55
    4.3.2 陶瓷叶轮空转时强度的有限元分析  55-57
    4.3.3 陶瓷叶轮工作时强度的有限元分析  57-60
  4.4 陶瓷叶轮工作时的流-固耦合模态分析  60-63
    4.4.1 流固耦合有限元方程的建立  60-61
    4.4.2 叶片的模态耦合分析  61-63
  4.5 本章小结  63-65
5 陶瓷叶轮的热应力分析  65-87
  5.1 热应力分析简介  65-68
    5.1.1 热分析的分类  65-66
    5.1.2 热分析法原理  66-68
  5.2 叶轮残余热应力的机理分析及计算方法  68-71
    5.2.1 残余热应力问题的基本方程和边界条件  68-71
    5.2.2 计算残余热应力的负热膨胀系数法  71
  5.3 叶轮的成型和烧结  71-76
    5.3.1 叶轮的成型  71-74
    5.3.2 叶轮的烧结  74-76
  5.4 叶轮烧结后产生的热应力的模拟分析  76-81
    5.4.1 模型的有限元网格划分  76
    5.4.2 边界条件的施加  76-77
    5.4.3 结果显示与分析  77-81
    5.4.4 叶轮烧结后热应力分析结论  81
  5.5 金属套工作时产生的热应力模拟分析  81-85
    5.5.1 金属套工作时热应力分析过程  82
    5.5.2 计算结果显示  82-85
  5.6 本章小结  85-87
6 总结与展望  87-89
  6.1 总结  87-88
  6.2 展望  88-89
参考文献  89-94
附录  94-101
致谢  101

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