泵类性能CAE分析

分析——结构强度分析王予津上海·海基科技2013年10月E-mail：[e-mail]：2413403目录1、内容简介2、泵所承受的载荷工况3、结构分析中的应力分类4、泵结构强度的评定5、泵结构强度评定的有限元方法6、有限元分析结果精度的评定内容简介泵的结构强度评定由于泵是用来输送流体介质，因此对泵的分析主要分为两部分：水力性能计算和结构强度分析。泵的结构强度分析，主要考虑泵在各种工况下可能出现的结构失效：承压边界破损等。依据ASME规范，泵有可能承受高压、高温和地震等载荷，对于不同的载荷组合采用不同的评定标准，同时ASME给出了一系列的评定方法，同时也提出了可替代方法去分析泵这类较为复杂的压力容器。泵结构评定的有限元法采用有限元法对泵这类结构复杂的压力容器而言，具有明显的优势：a.模型建立的更为准确；b.更为直观的分析结果；c.简单方便的后处理。除此以外，可以通过对模型的调整，可以获的更为准确的分析结果。常用的有限元软件有：ANSYS，NASTRAN，ALGOR，ABAQUS等.内容简介泵在正常工作中，可能承受的载荷包括：a.压力主要指管路中的内压。b.温度温度载荷来源很多，例如电机发热（例如屏蔽式电机主泵）；冷热水交汇处热分层引起的热梯度。泵所承受的载荷工况c.接管载荷连接管道热膨胀引起的接管部位载荷。d.自重部件所承受的重力加速度，是一种体力。e.地震振动加速度。泵所承受的载荷工况由于这些载荷大多情况下，不是单独存在的，因此在泵的结构强度分析过程中，如何考虑这些载荷的组合情况和评估方法，成为了泵结构强度评定的关键。以ASMEB&PV第III卷为例，介绍核电用泵的结构强度评定方法和有限元计算过程。结构分析中的应力分类1）一次应力把外荷载引起的满足基本平衡条件的法向应力和剪应力。薄膜应力Pm沿壁厚均匀分布的一次应力。𝑃𝑃𝑚𝑚=1𝑡𝑡�𝑆𝑆𝑡𝑡/2−𝑡𝑡/2𝑑𝑑𝑑𝑑弯曲应力Pb由外部载荷引起的与外载荷平衡的弯曲应力,或者说扣除一次薄膜应力后,在厚度方向成线性分布的一次应力。𝑃𝑃𝑏𝑏=6𝑡𝑡2�𝑆𝑆∗𝑑𝑑𝑡𝑡/2−𝑡𝑡/2𝑑𝑑𝑑𝑑结构分析中的应力分类薄膜应力和弯曲应力2）二次应力由相邻结构的约束或结构自身约束引起的法向应力和剪应力。膨胀应力Pe由于自由端位移受约束产生的应力。（热膨胀引起）薄膜加弯曲Q在结构不连续处满足结构连续所需的自平衡应力。（温度梯度引起）3）峰值应力F峰值应力是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量，介质温度急剧变化在压力容器壁或管壁中引起的热应力也归入峰值应力。F=S-Pm-Pb结构分析中的应力分类应力分类来源评定范围一次应力压力作用结构的静强度二次应力温度引起的热应力以及热膨胀结构的静强度和疲劳峰值应力局部结构的不连续性或局部热应力结构的疲劳结构分析中的应力分类压力容器进行结构评定时，通过三个主应力（σ1σ2σ3）可以获得当量应力：（1）最大拉应力S=σ1常用于一般压力容器设备评定，例如核二、三级部件。（2）第三强度理论（Tresca）S1=σ1-σ2S2=σ2-σ3S3=σ1-σ3S=（[S1S2S3]）常用于关键压力容器设备评定，例如核一级部件。泵的应力评定规则泵的应力评定规则这里主要依据ASME锅炉及压力容器卷NB分卷（核级）为例。ASME将泵的运行工况分成了四种工况（不包括试验工况），分别为设计工况、正常工况、异常工况和事故工况，不同工况有着不同的安全要求。对于非核级的泵没有严格的工况要求。泵的应力评定规则设计工况泵的应力评定规则泵的应力评定规则15A级工况和B级工况C级工况泵的应力评定规则17ANSYS经典界面18主菜单图形窗口命令行菜单栏视图控制栏19模型的建立1、命令流建模优势：•模型参数化•便于保存•提高工作效率劣势：•复杂模型处理较为不便2、三维CAD建模常采用的CAD软件有：UG、CATIA、SOLIDWORKS、PRO/E等。常用的输出文件格式：x_t、igs、stp等。21单元的设置22材料的设置应力分类分析类型一次应力结构分析二次应力热-结构分析峰值应力瞬态分析在进行二次应力的计算时，可以分为两种方法:1、间接法。即先计算泵的温度场，然后计算热应力；2、直接法。将温度和应力一同计算。泵结构强度评定的有限元方法分析类型边界载荷的设置1）一次应力A.对于有固定支架的泵在泵的承压边界上施加压力载荷，同时考虑接管部位由管道流体引起的拉伸载荷，固定支架按照位移约束进行设置。管道内压引起的拉力内压边界条件的设置泵结构强度评定的有限元方法B.对于悬挂式的泵由于泵出口或者入口可能挂焊在其他部件的出口上，导致其在有限元分析过程中无法设置约束边界，因此为了保证分析结果的合理性，需要分为两步进行分析。（1）在出口设置全位移约束，承压边界设置压力载荷，入口部位设置管道引起的拉伸载荷，分析获得入口部位的数据。（2）在入口设置全位移约束，承压边界设置压力载荷，出口部位设置管道引起的拉伸载荷，分析获得出口部位的数据。AP1000主泵管道内压引起的拉力内压位移约束边界条件的设置泵结构强度评定的有限元方法2）二次应力与一次应力的计算方法一样，针对不同结构形式的泵，采用不同的约束方式，同时也需要分为两部分进行二次应力提取。温度边界的设置不像管道那样需要计算管道内部的对流换热系数，这是因为泵的过流区域要比管道的小，热量散失也少，温度不会有十分明显的变化。因此，泵的温度设置应与流体的温度一致，而出入口的温差可以忽略。而对于泵的外壁存在的对流换热问题和热辐射问题，有时可以忽略不计，具体要求应依照泵的设计规范书执行。注意：有时从保守角度考虑，往往把膨胀应力Pe作为一次应力考虑。温度对流换热系数边界条件的设置泵结构强度评定的有限元方法3）峰值应力峰值应力在泵的静强度分析和疲劳分析中都会出现，而只在疲劳时需要考虑。因此，在有限元计算时，可以从分析结果中提取出峰值应力，静强度中的峰值应力是由几何上的不连续引起的；而疲劳分析所考虑的峰值应力是由热瞬态引起的。各个应力的有限元获取方法经典界面下的应力线性化方法第一步定义路径第二步获得路径上的应力强度第三步应力线性化泵结构强度评定的有限元方法路径的选择应力线性化后的结果应力评定路径的选取依据1、选取壁厚最小处;2、选取几何不连续部位;3、应力最大部位;泵结构强度评定的有限元方法薄膜应力Pm弯曲应力Pb薄膜加弯曲应力Pm+Pb泵结构强度评定的有限元方法峰值应力F总应力Pm+Pb+F泵结构强度评定的有限元方法Workbench下的应力评定方法第一步创建路径第二步获得路径上的应力强度泵结构强度评定的有限元方法第三步应力线性化后的结果泵结构强度评定的有限元方法路径编号Pm（MPa）Pm+Pb（MPa）PL+Pb+Q+Pe（MPa）Pm+Pb+Q+Pe+F（MPa）123.560.7169.4172.8235.775.5179.9191.4333.789.6201.3210标准Sm1.5Sm3SmSa结论合格合格合格合格应力评定表Sm=130MPa,Sa=260MPa泵结构强度评定的有限元方法1、分析位移结果正确性，判断整体变形是否复合预期；2、判断应力分布是否和预期一致；3、判断节点应力和单元应力之间的差别，对差别较大的区域进行网格细分，重新进行分析。有限元分析结果精度的评定案例