基于Workbench的混砂车搅拌叶轮疲劳寿命分析.pdf

石
CHINA PETROLEUM MACHINERY
2012年第40卷第2期
设计计算
基于 Workbench的混砂车搅拌叶轮疲劳寿命分析
周思柱祝克强吴汉川2乔春
(1.长江大学机械工程学院2.江汉石油管理局第四机械厂)
摘要混砂车搅拌叶轮在旋转过程中产生脉动的循环载荷,叶轮的疲劳属于高周疲劳。利用
ANSYS Workbench多物理场耦合分析平台完成了叶轮流固耦合分析,得到了叶轮表面应力分布。
在 Workbench中采用专业的疲劳分析模块 Fatigue tools对叶轮进行了疲劳寿命数值计算,找出了叶
轮疲劳安全系数最小的位置是叶轮的根部,与叶轮的最大应力位置相同,说明数值模拟结果具有
定的指导意义。
关键词叶轮流固耦合疲劳寿命高周疲劳 Workbench
中图分类号:TE934.02文献标识码:A文章编号:1001-4578(2012)02-0036-03
ANSYS12.0的前处理模块 Design Modeler中建立叶
轮三维模型,并划分网格,如图1所示。刘分得到
单元数为8708,节点数为17104。
混砂车是压裂作业重要的设备之一,其核心部
分是搅拌系统。搅拌叶轮作为混砂车搅拌系统的工
作部件,它的强度、刚度和疲劳寿命是满足使用要
求的3个基本指标。实践表明,疲劳破坏是这类结
构失效的主要原因之一。因此,研究叶轮的疲劳强
度对提高搅拌系统的各项指标有着重要意义。当循
环应力水平较低时,弹性应变起主导作用,破坏循
环次数一般高于104~105,此时疲劳寿命较长,
图1叶轮三维模型网格
称为应力疲劳或高周疲劳;在循环应力水平较高1.3流固耦合分析
时,塑性应变起主导作用,破坏循环次数一般低于
在 Workbench中利用CFX+ Workbench流固耦
104~105,此时疲劳寿命较短,称为应变疲劳或低合计算得到叶轮表面的流体压力分布。在CFX中
周疲劳们。混砂车搅拌叶轮在旋转过程产生脉动建立搅拌罐和叶轮的模型,采用RNGK模型完成
的循环载荷,叶轮的疲劳属于高周疲劳。
水和砂的两相搅拌混合计算的,计算得到叶轮表
面的压力分布,如图2所示
流固耦合分析
5m0
1.1叶轮受载分析
0.049942
混砂车搅拌叶轮在搅拌作业中承受离心力、重
0.028554
力和流体对其表面的压力。为了准确得到叶轮的应
0,014295
力分布规律,利用 ANSYS Workbench多物理场耦
6827e-5min
合分析平台完成流圄耦合分析。
单位:MPa
1.2叶轮有限元模型及网格划分2
图2叶轮表面流体压力分布
叶轮材料为Q235,抗拉强度为460MPa,在
将计算结果导入结构分析中,约束上轴端面
基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)项目“2500型大型数控成套压裂装备的研制”(2009AA063601)。
2012年第40卷第2期月思柱等:基于 Workbench的混砂车揽拌叶轮疲劳寿命分析
施加重力、离心力。叶轮转速为300r/min
在以上载荷的共同作用下,用有限元计算得到3叶轮疲劳寿命数值计算
的叶轮 on Mises应力云图如图3所示。叶轮根部
的成力最大,最大值为159.450MPa,远小于
在完成叶轮静力学分析以后,可以在Work-
Q235材料的屈服强度,满足强度要求。
beach中采用专业的疲劳分析模块 Fatigue tools
叶轮进行疲劳寿命数值分析,输人金属材料的S-NY
曲线、载荷类型、定义名义应力修正理论等完成疲
41.73
劳寿命计算。
R8.583
3.1叶轮材料的S-N曲线
35.435
根据相关手册可以查到Q235材料的疲劳极限
]7.719
0.0027263mi
值,对于简化的S-N曲线可以采用幂函数绘制:
SN=C
图3叶轮 Von Mises应力分布
式中a、
材料常数
2叶轮的波劳寿命理论计算
N-应力循环次数。
对上式两边取对数可得
混砂车搅拌叶轮在旋工作过程中承受脉动循
Ign= Igc-aigs
环载荷,必须考虑叶轮在交变载荷下的疲劳寿命,
令a=lgC,b=-,于是
叶轮的疲劳寿命计算是基于前述的静应力分析而进
行的。静力计算中叶轮根部为最大应力点,在这个
由此可见,幂函数的S-N经验公式在双对数坐
部位产生应力集中。此位置的最大应カのm=标图上为一直线。材料常数a和b可根据相关手册
159.45MPa,最小应力=0MPa,应力比R=査存活率P=50%时的中值SN曲线。将n
=0,平均应力为
41.178
-14.6745带入幂函数公式得
〉/2=79.725(MPa)(1)
gN=41.1782-14.6745lgS
应力幅为
在 Workbench中输入S-N曲线数据,绘制S-V
O。=(Um-omi)/2=79.725(MPa)(2
曲线,如图4所示。
Q235材料疲劳极限强度G-1=207MPa,叶轮
在旋转过程中承受脉动载荷,其强度校梭公式
如下
ra。+9
式中K,一有效应力集中系数
s。一尺寸因数
图4Q235村料S-N曲线
B-—表面质量因数
定义载荷类型,选择脉动循环载荷。载荷按正
n一一材料对应力循环不对称性的敏感(余)弦出线以载荷比例由0到1随时间变化
因数。
3.2平均应力的影响
阅手册可得各系数值分别为:K
反映疲劳性能的S-N曲线是在给定应力比R
0.91、B=0.85、9n=0.1,许用安全系数n=的条件下得到的。不同应力比时的疲劳极限是不同
1.5。将数据带入式(3)计算得
的,将不同应力比R的疲劳极限画在。和n图
上,即为疲劳极限图。试验测定不同应力比的疲劳
=1,573
极限很困难,因此笔者提出了一些经验模型区估算
P
疲劳极限,见图5,包括 Gerber抛物线模型、Cood
说明叶轮满足疲劳强度要求
man直线模型、 Soderberg直线模型和折线模型。