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隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，液力耦合器作為國家大力推廣的節(jié)能產(chǎn)品，其在刮板輸送機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。由于煤礦井下環(huán)境特殊，用水作為介質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的礦物油，必將在煤機(jī)領(lǐng)域有很廣的市場前景。水介質(zhì)限矩型液力耦合器主要依靠泵輪和渦輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)水旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而傳遞動(dòng)力，因此它能夠安全可靠的運(yùn)行主要依賴于泵輪和渦輪結(jié)構(gòu)的合理性，而其結(jié)構(gòu)的合理性主要表現(xiàn)為其抵抗振動(dòng)和強(qiáng)度的能力。作為液力耦合器傳遞動(dòng)力的關(guān)鍵元件，渦輪和泵輪擔(dān)任著液體動(dòng)能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的重要角色。對(duì)渦輪和泵輪的應(yīng)力狀態(tài)分析是設(shè)計(jì)葉輪過程中必不可少的環(huán)節(jié)，因此葉片的應(yīng)力計(jì)算準(zhǔn)確與否對(duì)葉輪的有限元分析有十分重要的影響。
有限元模型包括節(jié)點(diǎn)、單元、材料屬性、約束和載荷，其中網(wǎng)格劃分是比較重要的環(huán)節(jié)之一，它決定著求解結(jié)果的精確性。在有限元程序中，有限元的網(wǎng)格是由程序自動(dòng)完成的。ANSYS軟件對(duì)網(wǎng)格的劃分有兩種：1)自由劃分網(wǎng)格(Free Meshing)自由網(wǎng)格劃分法對(duì)于單元形狀無限制，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位置比較隨意。其在體上可自動(dòng)生成四面體網(wǎng)格。因?yàn)闇u輪和泵輪模型均不規(guī)則，故在此選用自由網(wǎng)格劃分法。2)映射網(wǎng)格劃分(Mapped Meshing)。映射網(wǎng)格劃分法生成的單元形狀比較規(guī)則，它必須包含六面體、五面體或四面體單元，在相對(duì)的面和邊上所定義的單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)必須相等。該方法對(duì)于復(fù)雜邊界模擬能力較自由劃分網(wǎng)格差，如果要采用循環(huán)對(duì)稱法計(jì)算，則采用六面體單元，必須采用映射分網(wǎng)。由于耦合器渦輪和泵輪葉片的形狀均比較簡單，因此可以對(duì)葉片進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，在有限元分析軟件ANSYS的前處理模塊中，直接讀人葉片實(shí)體。由于葉片與葉輪內(nèi)緣相連接處容易發(fā)生斷裂，因此對(duì)葉片進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，也用六面體實(shí)體單元?jiǎng)澐郑@樣可以保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，選用8節(jié)點(diǎn)SOLD45號(hào)實(shí)體單元對(duì)葉片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成葉片的有限元模型，從List下查看到渦輪葉片模型共有單元8963個(gè)，節(jié)點(diǎn)37060個(gè)；泵輪葉片模型共有單元8963個(gè)，節(jié)點(diǎn)37060個(gè)，劃分好網(wǎng)格的葉片模型如圖所示。
1)自由度約束(DOF constraint)—將給定某一面來限制其相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如結(jié)構(gòu)分析中約束被指定位移和對(duì)稱邊界條件。2)表面載荷(Surface Loads)—作用在物體表面的分布載荷，結(jié)構(gòu)分析中為壓力。3)力(Force)—為施加于模型節(jié)點(diǎn)或關(guān)鍵點(diǎn)的集中載荷。在結(jié)構(gòu)分析中被指定為力和力矩。4)慣性載荷(Inertia loads)—物體慣性引起的載荷。結(jié)構(gòu)分析中為重力加速度、角速度和角加速度等。5)體積載荷(Body loads)—為體載荷或場載荷，結(jié)構(gòu)分析中為溫度。6)耦合場載荷(coupled-Fieldloads)—指從一種分析得到的結(jié)果用作另一種分析的載荷。載荷可以施加到幾何實(shí)體模型或者有限元模型上，其優(yōu)缺點(diǎn)如表所示。對(duì)于上述兩種加載方式，考慮到葉片模型簡單，本研究采用的是將載荷施加在液力耦合器葉片的有限元模型上的方案。載荷主要包括位移約束、葉片表面液體壓力、離心力、重力。液力耦合器流道內(nèi)水流作用在葉片上，形成了耦合器葉片和葉輪內(nèi)壁的表面載荷，因此，需要確定葉片和葉輪內(nèi)壁上水的壓力的分布情況，根據(jù)前面介紹的壓力分布公式，采用有限元分析軟件中的函數(shù)加載方法，將壓力值加載到模型網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)水流壓力的準(zhǔn)確加載。
ANSYS提供了三個(gè)求解器用于一般求解，即波前求解器(Frontalsolver)和PCG求解器(PCGsolver)(共扼梯度，或者“Powe求解器”)。稀疏矩陣求解器(Sparsesolver)也可以使用，主要用于非線性問題。波前求解器為ANSYS軟件默認(rèn)的方法，波前求解器應(yīng)用的場合為非線性分析或內(nèi)存受到限制；PCG求解器應(yīng)用于單場問題中；稀疏矩陣直接求解器在要求穩(wěn)定性、求解速度和非線性分析時(shí)，其迭代速度很慢；預(yù)置條件共扼梯度求解器用于實(shí)體單元的較復(fù)雜模型。由于受計(jì)算機(jī)內(nèi)存限制，本次計(jì)算時(shí)采用波前求解器進(jìn)行求解，求解結(jié)果顯示了節(jié)點(diǎn)的變化值。
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