基于Workbench的混砂车搅拌叶轮疲劳寿命分析.pdf

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1、石油机械一36一CHINAPETROLEUMMACHINERY2012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ANSYSWorkbench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Fatiguetools对叶轮进行了疲劳寿命数值计算，找出了

2、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一定的指导意义。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—03ANSYS12．0的前处理模块DesignModeler中建立叶0引言轮三维模型，并划分网格，如图1所示。划分得到单元数为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，

3、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

4、到叶轮表面的流体压力分布。在CFX中周疲劳⋯。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一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J，计算得到叶轮表面的压力分布，如图2所示。1流固耦合分析_圈0—0642o—0570710．0499421．1叶轮受载分析n。42813混砂车搅拌叶轮在搅拌作业中承受离心力、重Wo：o3~683一嚣0028554o．021425力和流体对其表面的压力。为了准确得到叶轮的应翟_o．0142950O07166力分布规

5、律，利用ANSYSWorkbench多物理场耦1136827e一合分析平台完成流固耦合分析。1．2叶轮有限元模型及网格划分图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4O卷第2期周思柱等：基于Workbench的混砂车搅拌叶轮疲劳寿命分析一37一施加重力、离心力。叶轮转速为300r／min。在以上载

6、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VonMises应力云图如图3所示。叶轮根部的应力最大，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。bench中采用专业的疲劳分析模块Fatiguetools对叶轮进行疲劳寿命数值分析，输入金属材料的．s一Ⅳ啦位：MPa曲线、载荷类型、定义名义应力修正理论等完成疲124．020劳寿命计算J。106．30。，3．1叶轮材料的S．Ⅳ曲线67根据相关手册可以查到Q235材

7、料的疲劳极限_3543517719■00027263m值，对于简化的S一Ⅳ曲线可以采用幂函数绘制：N=C(4)图3叶轮VonMises应力分布式中、C——材料常数；5——应力；2叶轮的疲劳寿命理论计算应力循环次数。对上式两边取对数可得：混砂车搅拌叶轮在旋转工作过程中承受脉动循lgN=lgC—otlgS(5)环载荷，必须考虑叶轮在交变载荷下的疲劳寿命，令a：lgC，b：一，于是：叶轮的疲劳寿命计算是基于前述的静应力分析而进lgN=a+blgS(6)行的。静力计算中叶轮根部为最大应力点，在这个由此可

8、见，幂函数的Ⅳ经验公式在双对数坐部位产生应力集中。此位置的⋯最大应力=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Or=0MPa，应力比R=查存活率P=50％时的中值Js．Ⅳ曲线J。将0=41．1782，b=一14．6745带人幂函数公式得：j⋯／o-=0，平均应力为：lgN=41．1782—14．67451gS(7)=(+i)／2=79．725(MPa)(1)在Workbench中输入S．Ⅳ曲线数据，绘制s一Ⅳ应力幅为：=曲线，如图4所示。。(一i)／2=79．72