張金偉

摘 要：管道化輸送在節(jié)能減排與環(huán)境保護(hù)方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，已在諸多行業(yè)中獲得了應(yīng)用，并且近些年取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。往復(fù)式隔膜泵作為管道化輸送的核心設(shè)備，技術(shù)的改進(jìn)與發(fā)展具有非常重大的意義。由于往復(fù)式隔膜泵的結(jié)構(gòu)和工作原理的特殊性，對(duì)于計(jì)算軟件的要求非常嚴(yán)格，作為一款性能突出的有限元軟件，ADINA很好的完成了各種要求并且在隔膜泵的設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用。本文主要介紹ADINA在隔膜泵設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用，突出了ADINA在隱式動(dòng)力學(xué)和流固耦合計(jì)算方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：隔膜泵；ADINA；流固耦合；隱式動(dòng)力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、概述

1.1 隔膜泵的原理及應(yīng)用領(lǐng)域

隔膜泵的工作原理為電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞借助油介質(zhì)使橡膠隔膜凹凸運(yùn)動(dòng)，在隔膜室腔內(nèi)的礦漿容積周期性變化，完成礦漿輸送。

隔膜泵的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括氧化鋁工業(yè)和管道化輸送行業(yè)。其中，氧化鋁工業(yè)主要分為氧化鋁溶出喂料、堿液輸送和赤泥外排；管道化輸送主要包括尾礦、鐵精礦、磷精礦、銅礦、金礦以及長(zhǎng)距離輸煤等行業(yè)。在當(dāng)前提倡節(jié)能減排的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，在特定領(lǐng)域內(nèi)，管道化輸送代替?zhèn)鹘y(tǒng)的運(yùn)輸方式將是大勢(shì)所趨，隔膜泵也將得到更廣泛的應(yīng)用。

1.2 ADINA于工程仿真計(jì)算中的優(yōu)勢(shì)

ADINA作為一款商用有限元分析軟件得到了廣泛的應(yīng)用，得益于其在工程應(yīng)用中的以下三點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）強(qiáng)大的求解器

結(jié)構(gòu)：無(wú)論是靜態(tài)問(wèn)題，還是隱式或顯示動(dòng)態(tài)計(jì)算問(wèn)題，均有非常優(yōu)秀的計(jì)算方法。并且在非線(xiàn)性計(jì)算上有著強(qiáng)大的計(jì)算能力。

CFD：出眾的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)為復(fù)雜的流體計(jì)算提供了可靠的保障。

多場(chǎng)耦合：出色的流固耦合計(jì)算，其直接耦合算法是高度復(fù)合非線(xiàn)性強(qiáng)耦合計(jì)算的技術(shù)保證。還有高效的流固熱三場(chǎng)耦合等都讓ADINA成為CAE工程師手中一款出色的計(jì)算平臺(tái)。

（2）豐富的前后處理接口

對(duì)于工程問(wèn)題，模型的前處理過(guò)程大多在專(zhuān)業(yè)的前處理平臺(tái)完成，并最終導(dǎo)入到軟件進(jìn)行計(jì)算；后處理同樣需要導(dǎo)入到不同的專(zhuān)業(yè)后處理軟件進(jìn)行處理。這樣就需要軟件具備豐富的前后處理軟件接口。

（3）先進(jìn)的框架理念

時(shí)間函數(shù)、單元面集、節(jié)點(diǎn)集、節(jié)點(diǎn)信息等均支持excel或文本文檔操作。因此易于尺寸參數(shù)化驅(qū)動(dòng)模型。

二、ADINA在隔膜泵中的應(yīng)用

2.1隔膜泵動(dòng)力端的應(yīng)用

2.1.1下箱體裝配體隱式動(dòng)力學(xué)分析

下箱體部裝是隔膜泵的重要組成部分，為液力端礦漿輸送提供動(dòng)力。其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭鞘诸^部裝的直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，各個(gè)關(guān)鍵件緊密聯(lián)系，相互影響，是比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式。

在進(jìn)行隔膜泵關(guān)鍵件強(qiáng)度分析時(shí)，主要采用靜強(qiáng)度分析方法，其邊界條件對(duì)于分析結(jié)果影響很大，對(duì)于這樣復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)分析以確定各關(guān)鍵件的危險(xiǎn)工況是十分必要的。采用ADINA中的隱式動(dòng)力學(xué)分析方法很好的實(shí)現(xiàn)了隔膜泵下箱體部裝這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程。分析模型如圖所示，由于這一過(guò)程重點(diǎn)關(guān)注十字頭部裝和下箱體的受力及變形情況，因此將曲軸和連桿簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?dǎo)板與導(dǎo)板座之間采用綁定接觸，滑板與導(dǎo)板之間采用滑動(dòng)接觸實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于隔膜泵運(yùn)動(dòng)過(guò)程存在大變形，計(jì)算中采用了ADINA特有的bathe算法，得到了穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果。如圖所示為箱體在最危險(xiǎn)工況下的位移云圖。

ADINA不但實(shí)現(xiàn)了這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程的計(jì)算，而且具有很高的計(jì)算速度，這一點(diǎn)對(duì)于工程問(wèn)題具有非常重要的意義。通過(guò)對(duì)隔膜泵下箱體部裝運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析，體現(xiàn)了ADINA在隱式動(dòng)力學(xué)方面強(qiáng)大的運(yùn)算能力。

2.1.2 曲軸部裝隱式動(dòng)力學(xué)分析

曲軸部裝是由曲軸和連桿共同組成的曲柄連桿結(jié)構(gòu)，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中曲軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連桿做平面運(yùn)動(dòng)，連桿小端受到十字頭反作用力再傳遞到曲軸之上。由于曲軸為多拐曲柄結(jié)構(gòu)，細(xì)節(jié)特征較多，其結(jié)構(gòu)本身就較為復(fù)雜，而且連桿對(duì)其的反作用力為往復(fù)交替式的，力的方向又實(shí)時(shí)變化，因此，曲軸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力極為復(fù)雜。同樣，為了確定曲軸在工作過(guò)程中的最危險(xiǎn)工況，需要實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析。

下圖為曲軸部裝的分析模型。其中，曲軸與支撐和連桿的接觸面為滑動(dòng)接觸，在連桿小端按照隔膜泵的實(shí)際工作情況施加作用力，在曲軸一端施加旋轉(zhuǎn)位移實(shí)現(xiàn)曲軸的運(yùn)動(dòng)。經(jīng)計(jì)算，如圖所示為曲軸在最危險(xiǎn)工況下的曲軸受力云圖。

2.2隔膜泵液力端的應(yīng)用

2.2.1兩位兩通閥小隔膜密封過(guò)程分析

兩位兩通閥小隔膜密封過(guò)程分析過(guò)程是典型的材料非線(xiàn)性分析過(guò)程。如圖所示為密封過(guò)程仿真分析模型圖，其中上下結(jié)構(gòu)為金屬材料，中間為橡膠材料。裝配過(guò)程中，上下結(jié)構(gòu)擠壓中間的橡膠以達(dá)到密封的效果。此分析主要研究結(jié)構(gòu)壓緊后橡膠材料的受力情況，通過(guò)改變各個(gè)結(jié)構(gòu)的局部尺寸，降低橡膠的受力，獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸。

下圖為小隔膜被壓實(shí)后的整體位移云圖與小隔膜的網(wǎng)格變形圖，從圖中可以看出，橡膠小隔膜受到擠壓后，其網(wǎng)格變形嚴(yán)重，屬于高度非線(xiàn)性接觸問(wèn)題。

2.2.2隔膜泵泵閥運(yùn)動(dòng)機(jī)理流固耦合分析

隔膜泵液力端是隔膜泵技術(shù)中的核心技術(shù)，由于流體本身即為極其復(fù)雜的研究對(duì)象，再加之高壓力和復(fù)雜的流體機(jī)械的耦合，使液力端的研究更為困難。液力端的各關(guān)鍵件均為承壓件，隔膜泵在高壓工作過(guò)程中，需準(zhǔn)確的了解各關(guān)鍵件的壓力變化規(guī)律；泵閥的開(kāi)啟與關(guān)閉直接關(guān)系到泵整體的容積效率，了解泵閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及隔膜泵在高壓工作環(huán)境下泵閥的相互影響對(duì)于液力端的研究具有十分重要的意義?；谝陨显?，建立液力端流固耦合研究體系是十分必要的。

建立如圖所示的分析模型，模型分為流體部分和結(jié)構(gòu)部分。流體部分液力端的流場(chǎng)區(qū)域，在進(jìn)口與出口施加壓力邊界，以模擬真實(shí)的工作環(huán)境；結(jié)構(gòu)部分為進(jìn)出料閥結(jié)構(gòu)，位于流體區(qū)域內(nèi)部，閥上部作用有彈簧力。通過(guò)改變進(jìn)出口壓力、閥升程、閥彈簧剛度以及活塞的運(yùn)動(dòng)周期等設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)比分析各參數(shù)對(duì)閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律和腔內(nèi)壓力的變化的影響，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行隔膜泵液力端的設(shè)計(jì)。

通過(guò)對(duì)隔膜泵液力端流固耦合的分析研究，證明了ADINA強(qiáng)大的流固耦合計(jì)算能力；與公司內(nèi)部相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，體現(xiàn)了其極高的算法精度；高速的計(jì)算速度對(duì)于隔膜泵的研究具有重要意義。

三、結(jié)論

通過(guò)以上研究，可以看出，ADINA軟件在往復(fù)式隔膜泵的計(jì)算分析中得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)ADINA軟件的使用，可以得出，ADINA具有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：

1 高效的求解效率；

2 優(yōu)秀的計(jì)算算法；

3 豐富的前后處理接口便于工程使用；

4 精確地算法精度。

目前，ADINA在往復(fù)式隔膜泵的設(shè)計(jì)上已經(jīng)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，并且隨著對(duì)ADINA的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步提高，在往復(fù)式隔膜泵的設(shè)計(jì)中，ADINA將發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)

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[3]馬野，袁志丹，曹金鳳. ADINA有限元經(jīng)典實(shí)例分析[M].機(jī)械工程出版社，2011.