ADINA在往复式隔膜泵中的应用

张金伟

摘 要：管道化输送在节能减排与环境保护方面具有突出的优势，已在诸多行业中获得了应用，并且近些年取得了突飞猛进的发展。往复式隔膜泵作为管道化输送的核心设备，技术的改进与发展具有非常重大的意义。由于往复式隔膜泵的结构和工作原理的特殊性，对于计算软件的要求非常严格，作为一款性能突出的有限元软件，ADINA很好的完成了各种要求并且在隔膜泵的设计中发挥了重要作用。本文主要介绍ADINA在隔膜泵设计中的主要应用，突出了ADINA在隐式动力学和流固耦合计算方面的强大优势。

关键词：隔膜泵；ADINA；流固耦合；隐式动力学

中图分类号：TH32 文献标识码：A

一、概述

1.1 隔膜泵的原理及应用领域

隔膜泵的工作原理为电动机通过减速机驱动曲柄滑块机构，将旋转运动转变为直线运动，带动活塞往复运动，活塞借助油介质使橡胶隔膜凹凸运动，在隔膜室腔内的矿浆容积周期性变化，完成矿浆输送。

隔膜泵的主要应用领域包括氧化铝工业和管道化输送行业。其中，氧化铝工业主要分为氧化铝溶出喂料、碱液输送和赤泥外排；管道化输送主要包括尾矿、铁精矿、磷精矿、铜矿、金矿以及长距离输煤等行业。在当前提倡节能减排的经济环境下，在特定领域内，管道化输送代替传统的运输方式将是大势所趋，隔膜泵也将得到更广泛的应用。

1.2 ADINA于工程仿真计算中的优势

ADINA作为一款商用有限元分析软件得到了广泛的应用，得益于其在工程应用中的以下三点优势：

（1）强大的求解器

结构：无论是静态问题，还是隐式或显示动态计算问题，均有非常优秀的计算方法。并且在非线性计算上有着强大的计算能力。

CFD：出众的动网格技术为复杂的流体计算提供了可靠的保障。

多场耦合：出色的流固耦合计算，其直接耦合算法是高度复合非线性强耦合计算的技术保证。还有高效的流固热三场耦合等都让ADINA成为CAE工程师手中一款出色的计算平台。

（2）丰富的前后处理接口

对于工程问题，模型的前处理过程大多在专业的前处理平台完成，并最终导入到软件进行计算；后处理同样需要导入到不同的专业后处理软件进行处理。这样就需要软件具备丰富的前后处理软件接口。

（3）先进的框架理念

时间函数、单元面集、节点集、节点信息等均支持excel或文本文档操作。因此易于尺寸参数化驱动模型。

二、ADINA在隔膜泵中的应用

2.1隔膜泵动力端的应用

2.1.1下箱体装配体隐式动力学分析

下箱体部装是隔膜泵的重要组成部分，为液力端矿浆输送提供动力。其运转过程中由曲轴的旋转运动转变为是十字头部装的直线往复运动，各个关键件紧密联系，相互影响，是比较复杂的运动形式。

在进行隔膜泵关键件强度分析时，主要采用静强度分析方法，其边界条件对于分析结果影响很大，对于这样复杂的运动情况，实现动力学分析以确定各关键件的危险工况是十分必要的。采用ADINA中的隐式动力学分析方法很好的实现了隔膜泵下箱体部装这一运动过程。分析模型如图所示，由于这一过程重点关注十字头部装和下箱体的受力及变形情况，因此将曲轴和连杆简化为梁单元。导板与导板座之间采用绑定接触，滑板与导板之间采用滑动接触实现运动过程中的相对运动。由于隔膜泵运动过程存在大变形，计算中采用了ADINA特有的bathe算法，得到了稳定的计算结果。如图所示为箱体在最危险工况下的位移云图。

ADINA不但实现了这一运动过程的计算，而且具有很高的计算速度，这一点对于工程问题具有非常重要的意义。通过对隔膜泵下箱体部装运动过程的分析，体现了ADINA在隐式动力学方面强大的运算能力。

2.1.2 曲轴部装隐式动力学分析

曲轴部装是由曲轴和连杆共同组成的曲柄连杆结构，运转过程中曲轴旋转带动连杆做平面运动，连杆小端受到十字头反作用力再传递到曲轴之上。由于曲轴为多拐曲柄结构，细节特征较多，其结构本身就较为复杂，而且连杆对其的反作用力为往复交替式的，力的方向又实时变化，因此，曲轴在运动过程中的受力极为复杂。同样，为了确定曲轴在工作过程中的最危险工况，需要实现其运动过程的分析。

下图为曲轴部装的分析模型。其中，曲轴与支撑和连杆的接触面为滑动接触，在连杆小端按照隔膜泵的实际工作情况施加作用力，在曲轴一端施加旋转位移实现曲轴的运动。经计算，如图所示为曲轴在最危险工况下的曲轴受力云图。

2.2隔膜泵液力端的应用

2.2.1两位两通阀小隔膜密封过程分析

两位两通阀小隔膜密封过程分析过程是典型的材料非线性分析过程。如图所示为密封过程仿真分析模型图，其中上下结构为金属材料，中间为橡胶材料。装配过程中，上下结构挤压中间的橡胶以达到密封的效果。此分析主要研究结构压紧后橡胶材料的受力情况，通过改变各个结构的局部尺寸，降低橡胶的受力，获得最优的结构尺寸。

下图为小隔膜被压实后的整体位移云图与小隔膜的网格变形图，从图中可以看出，橡胶小隔膜受到挤压后，其网格变形严重，属于高度非线性接触问题。

2.2.2隔膜泵泵阀运动机理流固耦合分析

隔膜泵液力端是隔膜泵技术中的核心技术，由于流体本身即为极其复杂的研究对象，再加之高压力和复杂的流体机械的耦合，使液力端的研究更为困难。液力端的各关键件均为承压件，隔膜泵在高压工作过程中，需准确的了解各关键件的压力变化规律；泵阀的开启与关闭直接关系到泵整体的容积效率，了解泵阀的运动规律以及隔膜泵在高压工作环境下泵阀的相互影响对于液力端的研究具有十分重要的意义。基于以上原因，建立液力端流固耦合研究体系是十分必要的。

建立如图所示的分析模型，模型分为流体部分和结构部分。流体部分液力端的流场区域，在进口与出口施加压力边界，以模拟真实的工作环境；结构部分为进出料阀结构，位于流体区域内部，阀上部作用有弹簧力。通过改变进出口压力、阀升程、阀弹簧刚度以及活塞的运动周期等设计参数，对比分析各参数对阀运动规律和腔内压力的变化的影响，以此为基础进行隔膜泵液力端的设计。

通过对隔膜泵液力端流固耦合的分析研究，证明了ADINA强大的流固耦合计算能力；与公司内部相关的实验数据对比，体现了其极高的算法精度；高速的计算速度对于隔膜泵的研究具有重要意义。

三、结论

通过以上研究，可以看出，ADINA软件在往复式隔膜泵的计算分析中得到了广泛的应用。通过对ADINA软件的使用，可以得出，ADINA具有以下几项优点：

1 高效的求解效率；

2 优秀的计算算法；

3 丰富的前后处理接口便于工程使用；

4 精确地算法精度。

目前，ADINA在往复式隔膜泵的设计上已经发挥了至关重要的作用，并且随着对ADINA的认识进一步提高，在往复式隔膜泵的设计中，ADINA将发挥更大的作用。

参考文献

[1]ADINA theory and Modeling Guide Volume Ш：ADINA CFD & FSI，Report ARD 10-9， 2010.

[2]ADINA theory and Modeling Guide Volume Ⅰ：ADINA Volume Ⅱ：ADINA Heat Transfer，Report ARD 10-7， Report ARD 10-8， 2010.

[3]马野，袁志丹，曹金凤. ADINA有限元经典实例分析[M].机械工程出版社，2011.