基于UG的叶轮疲劳分析

朱红波 谢 磊

（1.河南工业和信息化职业学院，河南 焦作 454000；2.郑州煤矿机械集团股份有限公司，河南 郑州 450000）

统计资料表明，零件在使用过程中的断裂，约有60%～80%属于疲劳断裂。其特点是断裂时应力低于材料的抗拉强度或屈服极限。不论是脆性材料还是延性材料，其疲劳断裂在宏观上都表现为无明显塑性变形的脆性断裂。疲劳计算是基于结构裂纹损伤积累的原理，根据应力-寿命（S-N）曲线图或者应变-寿命（E-N）曲线图来评估零件的疲劳寿命，计算过程中将输入数据处理成峰顶或者峰谷，对循环周期进行计数，从而计算出结构的疲劳寿命［1］。

1 问题描述

叶轮是离心式水泵的主要部件。其作用是将电动机输入的机械能传递给水，主要是靠离心力的作用把能量传递给水，以提高水的压力能和动能。图1 为闭式叶轮结构示意图，主要由前盘、后盘、叶片和轮毂组成，由灰口铸铁或铸钢铸造加工而成。D型泵叶轮叶片数目一般为5～7片，并采用后弯扭曲叶片，以减小动压增大静压。叶轮的制造和加工精度对水泵的效率有重要的影响，是水泵的易损件。

图1 叶轮

2 叶轮疲劳仿真分析

2.1 创建有限元模型

依次单击高级仿真命令，在仿真导航器窗口的分级树中，单击叶轮模型文件对应的节点，进行新建FEM相关操作；弹出的新建FEM对话框，默认求解器和分析类型中的选项，即可创建有限元模型。

图2 网格划分结果

2.2 指派材料属性及划分网格

给有限元模型指派材料为Iron_Cast_G40，密度：7.15e-006，杨氏模量：14000，泊松比：0.25，屈服强度：345MPa，极限抗拉强度：570MPa，疲劳强度系数：645 MPa，疲劳强度指数：-0.078，疲劳韧性系数：0.037，疲劳韧性指数：-0.457。创建3D 网格收集器：Solid（1）。对模型创建3D四面体10节点网格，单元格系统自动指派大小为22.1mm。为了分析的精确性和后处理的需要。手动指派网格大小为4mm，对网格精细划分。网格收集器手动选择为Solid（1），然后其他选项保存默认。网格划分结果如图2 所示，网格类型：3D，网格中的单元数：125509，网格中的节点数：221863。对有限元模型网格划分进行质量检查，结果：0个失败，0个警告，说明网格划分质量很高，符合要求。

2.3 创建仿真模型与解算方案

在仿真导航器中，右击fem 文件节点，新建sim 仿真文件，在模板列表中选择NX NASTRAN，默认其他的选项设置。在解算方案栏下保持求解器为NX NASTRAN，分析类型为结构，解算方案类型选择SOL 101 Linear Statics-Global Constraints，同时激活单元迭代求解器；激活启用STRAIN（应变）请求选项［2-3］。

2.4 施加边界条件和约束

在仿真导航器里面选择sim节点作为工作部件，对叶轮模型轴内孔施加用户定义约束，选择圆柱坐标系，对DOF1、DOF2、DOF3设定为固定，其他自由度保持默认设置。对模型施加离心载荷，角速度为1480r/min；然后在模型的7个叶片上施加2MPa的压力载荷。

2.5 方案求解及后处理

对方案进行求解，迭代求解器收敛，对分析质量进行检查，可信度为90%。得到单元节点的冯氏应力云图，如图3所示，由应力云图可知，最大冯氏应力值为227.47MPa，主要集中于叶轮入水口叶片与轮毂交汇处，局部区域存在应力集中现象，且最大应力远小于材料的屈服强度值345MPa，说明材料受载变形还处于弹性变形阶段。

图3 单元节点的冯氏应力云图

图4 单元节点疲劳寿命云图

2.6 疲劳分析

下面在上述结构线性静力学分析的基础上，按照疲劳分析操作流程，依次选取应力准则、疲劳寿命准则，定义激励类型，计算结构在该工况条件下的疲劳寿命，通过各种结果显示方式，来评估该结构的疲劳性能。

新建解算方案，选择耐久性命令。默认耐久性求解过程名称为Durability 1。右键单击仿真节点Durability 1，选择新建事件下的静态耐久性事件，默认事件名称为Static Event 1 及静态解列表为Solution 1-SOL 101 SCS。激励类型下强度、轴搜索和解算选项标签下内容保存默认；疲劳标签下，疲劳寿命输出下，疲劳安全系数输出选择Cerber，其他保存默认。

新建激励，默认名称Load Pattern 1，图样选择完全单位周期，其他保持默认。求解得单元节点疲劳寿命云图，如图4 所示，可以看出最大工作寿命为1.0E+036个工作周期，最小工作寿命为1.35E+006个工作周期，可以看出，靠近叶片与轮毂交汇处区域上的寿命最小，也就是意味着这些区域容易遭受疲劳破坏；得单元节点疲劳安全系数云图，如图5所示，最大安全系数值为4.91E+003，最小安全系为0.078，在最小安全系数区域结构最容易产生裂纹和破坏；得单元节点强度安全系数云图，如图6 所示，强度安全系数最大值为5 790.77，强度安全系数最小值为2.72，从图3 和图6 对比可以发现，强度安全系数越小的区域，载荷作用过程中的应力水平越高，在设计的时候需要注意，由于最小安全系数为2.72，表明叶轮整体强度满足设置工况的要求。

图5 单元节点疲劳安全系数云图

图6 单元节点强度安全系数云图

3 结语

本文在解算结构线性静力学应力和应变响应值基础上，创建耐久性分析方案，采用无限寿命法进行结构的疲劳寿命设计，选取合理的疲劳寿命准则，计算了在工况压力和转速下的结构疲劳寿命，通过多种评价指标预估了模型的疲劳性能。

［1］刘婕.流体机械［M］.北京：煤炭工业出版社，2012.

［2］胡仁喜，康士廷.UG NX8.5 动力学与有限元分析从入门到精通［M］.北京：机械工业出版社，2014.

［3］沈春根，王贵成，王树林.UG NX7.0有限元分析从入门与实例精讲［M］.北京：机械工业出版社，2010.