有限元法下的立式泵底座優(yōu)化設計

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摘要：立式泵底座主要用于支撐立式水泵，保證水泵安裝滿足測試要求，整體運轉平穩(wěn)，并符合一定的輕量化和低振動要求。目前，船用泵對其低振動提出了更高的要求，在低振動泵試驗臺搭建過程中，需要匹配與之相應的低振動水泵測試底座，為低振動水泵試驗臺提供必要的保障?，F針對原有底座結構，建立三維模型，通過分析受力分布和應力變形，提出了改進優(yōu)化方案，解決了水泵底座低頻振動的問題。

關鍵詞：立式泵；底座；優(yōu)化設計；有限元

引言

在實際工程設計過程中，有限元設計是最常用的方法之一。有限元設計能夠讓設計者在設計初期通過全面考慮產品開發(fā)的每個影響因素，并通過有限元軟件的模擬仿真，將影響產品開發(fā)的因素、設計理念與產品相結合，將產品風險降至最低。有限元設計是通過仿真建立三維模型，加載外部約束和外部應力，分析模型的應力和變形；通過有限元分析大幅縮短設計周期，有效提升設計質量，降低設計成本。目前，國內的底座設計優(yōu)化領域通常采用有限元方法來分析及優(yōu)化底座結構。太原科技大學的司炎飛在基于有限元法的液壓支架優(yōu)化設計研究中，通過有限元方法對液壓支架施加模擬載荷，分析應力變形和應力分布，并提出了優(yōu)化解決方案。長沙天鵝工業(yè)泵股份有限公司的施蓉等人分析了傳統(tǒng)臥式泵底座的不足之處，分別介紹了泵與電機中心高在不同情況下改進后的臥式直聯泵底座結構的設計要點，通過優(yōu)化設計，提高了設計質量，降低了生產制造成本，經濟效益明顯。本文對原有水泵試驗臺底座（圖1）進行了優(yōu)化改進。在安裝過程中，發(fā)現原有水泵試驗臺底座的梁出現了位移變形，雖然仍可以為水泵提供運行支撐，但是水泵低頻振動超標。分析其原因為原立式安裝底座設計不合理，4個支撐支架底部有強約束，水泵重心太高，水泵支撐處存在安裝支撐變形的情況。從安裝減震器的情況來看，支架安裝好以后，當擰緊底座固定螺栓時，減震器底部有明顯變形，說明支架的4個立柱存在變形，需要通過有限元分析途徑進行優(yōu)化設計。

1邊界條件設定

根據4個支柱的結構特點及原支撐底座的支撐特點，對底座進行了結構性加固。原底座由4個H鋼和1個底板組成，底座上表面為安裝面，底座尺寸為840mm×700mm×1381mm，重量為305kg。采用Creo2.0軟件對原底座進行建模，原底座與地面通過螺栓固定，4個螺栓固定部位為固定約束，底座上方安裝面用于支撐水泵，水泵重量約150kg，安裝面面積為0.09m2，相當于底座安裝面承受0.016MPa的靜壓力。

2原底座仿真分析

通過有限元軟件對原底座模型進行網格劃分，網格寬度為20mm，并通過靜力學分析對模型進行數值模擬仿真，分析模型的應力分布和變形，如圖2、圖3所示。有限元分析結果顯示，原底座上部缺少固定，導致原底座上部在受外加載力的情況下，會出現上部彎曲、上部支撐不穩(wěn)等情況。底座應力約為3MPa，變形量約為0.028mm，尤其頂部安裝面附近變形量較大，水泵底座低頻振動會直接導致水泵振動大。

3底座優(yōu)化改進

根據有限元計算結果，提出了底座改進方案。根據原支撐架的特點，利用最簡單的方式對支撐架進行加固，分別在原支撐架1/2處和1/3處進行加固，保證水泵底座頂端的穩(wěn)定性。在底座4個H鋼四周側面增加筋板，利用槽鋼焊接在原支架的4個側面，增加水平方向和上部的穩(wěn)定性，按照原模型有限元邊界條件，并加載同樣的外在力，對有限元模型進行分析，改進后的模型如圖4所示。改進后外形尺寸保持不變，重量增加了39kg，為344kg，整個重心基本保持不變。采用同樣的有限元數值仿真分析方法對改進后底座進行數值仿真分析，即給定邊界條件為4個螺栓固定部位為固定約束，相當于底座安裝面承受0.016MPa的靜壓力。有限元分析結果顯示（圖5、圖6），經過改進，底座應力降至1.84MPa，變形量降至0.002mm，說明改進后整體結構穩(wěn)定，變形量小，改進效果顯著。經過試驗驗證，水泵在安裝過程中，支架底座安裝面沒有明顯變形，說明4個支柱及支架結構穩(wěn)定。在試驗測試過程中發(fā)現，水泵低頻振動放大效果得到抑制，說明改進后，整體支架確實有很好的效果和很明顯的低頻振動抑制效果。

4結語

立式泵底座對水泵的穩(wěn)定安裝至關重要，底座結構是否穩(wěn)定，強度是否符合使用要求，底座在安裝狀態(tài)下是否會發(fā)生變形，都是在設計階段要考慮的要素。采用有限元方法對改進方案的數值進行分析，可以縮短設計周期，提高設計質量，為改進方案提供有效的數據支撐。改進后的水泵運行狀態(tài)平穩(wěn)，底座結構穩(wěn)定，改進效果顯著。在試驗測試過程中發(fā)現，水泵低頻振動放大效果得到抑制，說明改進后，整體支架確實有很好的效果和很明顯的低頻振動抑制效果。

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作者：周慶 夏國龍 徐劍云 張斌 范祖相 單位：上海齊耀動力技術有限公司