离心泵电阻点焊叶轮有限元分析* 王洋 王洪玉 王维军
（江苏大学流体机械工程技术研究中心 镇江 212013）
摘要：为准确计算电阻点焊叶轮在流场中的应力及变形情况，借助多物理场协同仿真平台ANSYS Workbench，采用单向流固耦合方法对电阻点焊叶轮进行有限元分析。首先对叶轮有限元模型的网格无关性进行分析。在此基础上，计算了叶轮在设计工况下的等效应力及变形情况，并分析了叶轮最大等效应力及最大总变形随流量的变化情况。计算结果为电阻点焊叶轮结构设计及优化提供有效依据。
关键词：离心泵 电阻点焊叶轮 流固耦合 有限元分析 中图分类号：TH311 Finite Element Analysis for Resistance Spot Welded Impeller of Centrifugal Pump
WANG Yang WANG Hongyu WANG Weijun
（Technical and Research Center of Fluid Machinery Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013）
Abstract ：To accurately calculate stress and deformation of the resistance spot welded impeller in the flow field, the finite analysis for the impeller was carried out by means of the co-simulation platform ANSYS Workbench used for the multi-physical fields, with one-way fluid structure interaction method. Firstly, the sensitivity of the finite element analysis models of the impeller on different mesh density was analyzed. Then, the equivalent (von-Mises stress and total deformation of the impeller at the design flow rate condition were calculated. Moreover the characteristic of the maximum stress and total deformation at different flow rates was investigated. The results provide effective references to the structural design and optimization for the resistance spot welded
impeller. Key words：Centrifugal pump Resistance spot welded impeller Fluid structure interaction (FSI finite element analysis
0 前言
冲压焊接离心泵叶轮是国外首先研制的产品，20世纪90年代国内才开始使用。由于该泵具有节能、环保、生产率高等特点，广泛应用于医药、化工、消防、锅炉给水等领域。电阻点焊以生产率高、焊接质量稳定，并易于实现机械化和自动化等优点在冲压焊接叶轮成型中得到广泛应用，特别是井泵和立式多级泵的规模化生产正是得益于电阻点焊这种高效的焊接工艺。随着电阻点焊工艺在泵类产品中的广泛应用，相应产品得到不断地更新和发展，同时对产品的要求也不断提高。电阻点焊叶轮作为冲压焊接离心泵的核心部件也开始受到挑战，其结构的强度及可靠性越来越受到人们的关注。对电阻点焊1叶轮在工作状态下的应力及变形情况的研究，可准确地对电阻点焊叶轮进行强度分析，并可为点焊成型叶轮的结构设计、寿命延长及可靠性提高提供依据，因此有其重要的应用价值。 ? 国家科技支撑计划（2008BAF34B15）；江苏省科技服务业计划项目（BM2008375）。
目前对于离心泵叶轮强度的计算大多基于经验 和统计分析，一般采用近似方法或只考虑离心力。 只能粗这些方法[1-2]对流场压力载荷作了极大简化，
略估算叶轮上的应力，无法得到叶轮上的应力分布特征，更不能准确地确定最大应力的发生位置。这样得到的计算结果和叶轮实际工作情况有较大出入。另一方面，对在液体中高速旋转的叶轮进行应力测试的难度较大，而且只能测量特定部位的应力。随着现代分析方法及有限元软件的不断完善，流固耦合（FSI ）技术可以成功地将流场和结构计算结合起来，使得有限元分析的数据更贴近叶轮的实际工作状况。因此采用流固耦合方法对电阻点焊叶轮进行有限元分析完全可行，并有其实际意义。
本文借助CAE 多物理场协同仿真平台ANSYS Workbench ，采用单向FSI 方法对电阻点焊叶轮耦合系统进行求解计算。通过对泵内流场的计算，得到不同工况下叶轮所承受的流场压力载荷，进而对电阻点焊叶轮进行有限元分析，重点分析电阻点焊叶轮在流场载荷及不同工况下的应力及变形情况。
1 单向耦合求解方法
流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉生成的力学分支，主要研究固体在流场作用下的各种行为及固体位形对流场的影响。流固耦合问题从求解方法上可以分为直接求解的强耦合和分区迭代求解的弱耦合。由于叶轮在流场中的变形微小，故本文采用弱耦合中的单向耦合方法求解，忽略固体变形对流场的影响。
采用有限元方法对流体域(FD和结构域(SD进行离散，基于统一耦合方程及其凝聚方式，单向耦合的求解步骤如下：首先对流场元素进行求解；（2）根据求解的流场元素，将更新后的流体矢量传递给结构，结合耦合界面信息求解结构元素。单向耦合控制方程具体表达式及推导过程详见文献[3-5]。
2 计算模型及边界条件设置 2.1 计算模型
计算模型为某厂生产的LVS3-9型立式多级泵电阻点焊叶轮。叶轮由前盖板、叶片、后盖板经点焊焊接而成，焊接过程在30000J 型电容储能凸焊机上完成。叶轮实体如图1（a ）所示，图1（b ）显示的为焊点分布情况。为分析方便，图1（b ）对焊点进行编号，内圈焊点为1、2、3、4、5、6，相应叶
片上的外圈焊点为1＇
、2＇、4＇、5＇、6＇，并按建立的坐标系将叶轮分为四个区域，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。
（a ）叶轮实体 （b ）焊点分布 图1 电阻点焊叶轮
2.2 流场计算模型及边界条件
文中计算对象为9级立式多级泵，根据流动及结构的相似性[6]，只对其中的一级进行分析。耦合模型由流场计算域和叶轮模型组成。流场计算域由三部分组成，分别为进口延伸、叶轮流道和导流体内流体，如图2所示。在CFX-Mesh 中采用非结构混合网格对流场计算域进行网格划分，网格数为514 065，节点数为109 516。
采用ANSYS CFX软件对流场进行计算。求解过程中采用SST κ-ω[7-8]湍流模型，边界条件设置为总压进口、质量出口、无滑移壁面边界条件。
图2 流场计算模型
2.3 有限元模型及边界条件 2.3.1 单元及材料属性
对于薄壳结构的点焊叶轮应选择三维壳体单元进行计算，但壳体单元与水体单元的耦合技术并不成熟[9]，另外壳体单元与水体单元节点的连续性较
差，所以文中选用20节点六面体单元SOLID 186。
电阻点焊叶轮材料为不锈钢0Cr18Ni9，密度ρ=7930kg/m3，弹性模量E =1.93×1011Pa ，泊松比μ=0.31，条件屈服强度σ0.2=207MPa，抗拉强度σb =520MPa。由于储能焊瞬时放电、能量集中、冷却速率大、线能量低，焊缝在高温停留时间很短，避免了焊缝中柱状晶粒的长大，所产生的内应力较小[10]，所以在分析中忽略储能电阻点焊对材料属性的影响。
2.3.2 载荷及边界条件
载荷条件：离心载荷和流场压力载荷。
约束条件：花键槽处后端面施加轴向约束，U y =0；键槽圆柱面设置为圆柱支撑，施加径向和轴向约束；键槽的工作面设置为U x =U z =0。
接触边界条件：叶片与盖板之间的焊点区域接触类型为固结；非焊接区域接触类型设置为摩擦，摩擦系数为0.15。
2.3.3 网格无关性及划分
分别采用5种不同网格密度的模型对叶轮结构进行计算，用以确定网格划分的最终方案，计算结
果如图3所示。
当网格数达到15 254（节点87 241）时，网格加密对叶轮最大等效应力和最大等效变形的计算结果影响很小，因此为节省计算时间并保证精度，叶轮有限元网格数为15 254，节点数为87 241，网格划分情况如图4所示。
离心泵电阻点焊叶轮有限元分析.
