旋片式真空泵轉(zhuǎn)子的有限元分析
利用ANSYS 對旋片式真空泵的轉(zhuǎn)子進行靜力和模態(tài)分析，其結(jié)果為旋片式真空泵的設(shè)計提供了科學(xué)的參考數(shù)據(jù)，為進一步的有限元分析和優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)，從而提高了真空泵的設(shè)計質(zhì)量。
一、引言
旋片真空泵是利用轉(zhuǎn)子和可在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)滑動的旋片的旋轉(zhuǎn)運動以獲得真空的一種變?nèi)輽C械真空泵，當采用工作液來進行潤滑并填充泵腔死隙，分隔排氣閥和大氣時，即為通常所稱的油封旋片真空泵。旋片真空泵，可以廣泛用于石油、化工、印刷、包裝機等工業(yè)。
轉(zhuǎn)子作為真空泵的主要零件，是保證泵正常工作的關(guān)鍵因素之一。轉(zhuǎn)子的受力變形情況需要充分考慮，由于泵工作過程中轉(zhuǎn)子密封在泵機座內(nèi)，受力和變形情況不易測量。因此，用有限元方法對轉(zhuǎn)子進行結(jié)構(gòu)靜力分析和模態(tài)分析，可以提高設(shè)計水平和降低轉(zhuǎn)子設(shè)計與制造成本。更有利于對轉(zhuǎn)子和泵進行設(shè)計。
二、旋片式真空泵轉(zhuǎn)子幾何模型的建立
本文利用了Pro/ENGINEER 的強大建模功能建立轉(zhuǎn)子模型，再通過ANSYS-Pro/E 接口轉(zhuǎn)換，將在Pro/E 建立的模型直接導(dǎo)入到ANSYS，實現(xiàn)兩者的無縫連接。所建立的轉(zhuǎn)子的幾何模型如圖1 所示。
圖1 轉(zhuǎn)子的幾何模型
三、旋片式真空泵轉(zhuǎn)子的有限元分析
1、旋片式真空泵轉(zhuǎn)子有限元模型的建立
在ANSYS 中，選擇Solid45 單元進行有限元網(wǎng)格分析，此單元為三維實體8 節(jié)點四面體單元。此轉(zhuǎn)子的材料為QT400，彈性模量為“1.5e11”、泊松比為“0.3”、密度為7 300kg/m3。一般情況下，在計算機硬件計算能力許可的條件下，單元包含的節(jié)點數(shù)越多，劃分有限元網(wǎng)格的精度就越高，ANSYS 得到的分析結(jié)果就越準確。本文網(wǎng)格采用自由網(wǎng)格劃分，劃分后得到的轉(zhuǎn)子有限元模型如圖2 所示。
圖2 轉(zhuǎn)子的有限元模型
2、靜力分析
靜力分析用于求解靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力等。有限元靜力分析的步驟為：幾何模型的建立，施加載荷和邊界條件、求解，結(jié)果評價與分析。利用圖2 中的有限元模型，約束加載在轉(zhuǎn)子兩端軸承安裝處，限定安裝面的所有位移自由度，并在旋片槽底面上施加承受力表面的均布載荷，載荷大小為1200N。求解后，查看變形前后比較圖，如圖3 所示。總應(yīng)力分布如圖4 所示。各方向的最大應(yīng)力如表1所示。
圖3 總變形圖
圖4 總應(yīng)力分布圖
表1 靜態(tài)分析所得不同方向上最大應(yīng)力
3、模態(tài)分析
模態(tài)分析也是結(jié)構(gòu)分析的一種形式，模態(tài)分析用于計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)。模態(tài)分析的步驟為：建立模型，加載并求解，擴展模態(tài)與觀察結(jié)果。
有限元模型如圖2 所示。約束加載在轉(zhuǎn)子兩端軸承的安裝處，限定安裝面所有的位移自由度。其中前2 階的變形前后比較圖分別如圖5、圖6 示。由于振型現(xiàn)在還沒有被寫到數(shù)據(jù)庫或結(jié)果文件中，因此還要進行后處理，即對模態(tài)進行擴展。擴展模態(tài)的方法是：再次進入ANSYS 求解器，激活擴展處理及其相關(guān)選項，進行擴展模態(tài)處理。本文擴展5 階模態(tài)，不同模態(tài)下箱體所受最大應(yīng)力如表2 示。
圖5 1 階振型下的應(yīng)力分布及變形圖
圖6 2 階振型下轉(zhuǎn)子應(yīng)力分布及變形圖
表2 不同模態(tài)下轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力
4、計算結(jié)果分析
根據(jù)表1 所列的不同方向上的最大應(yīng)力，可以看出各方向的最大應(yīng)力都在材料的需用應(yīng)力范圍內(nèi)。由表2 所列的不同模態(tài)下的最大應(yīng)力，可以看出各模態(tài)下的最大應(yīng)力都在材料的需要應(yīng)力范圍內(nèi)。在使用的過程中，使真空泵的頻率區(qū)別于轉(zhuǎn)子的頻率就不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，保證真空泵的應(yīng)用性能。
四、結(jié)論
在軟件ANSYS 中對真空泵轉(zhuǎn)子進行了靜力和模態(tài)分析，得到了轉(zhuǎn)子在受靜載荷和前5 階模態(tài)下的陣型。并且得出了靜態(tài)分析不同方向上最大應(yīng)力和不同頻率下轉(zhuǎn)子的最大應(yīng)力。為轉(zhuǎn)子及與其相裝配的零部件的進一步動力分析和優(yōu)化設(shè)計提供了科學(xué)的參考數(shù)據(jù)。
