张恩龙 齐东杰 李文明 陈 扬 ,2

（1、中国有色(沈阳)泵业有限公司,辽宁 沈阳 110144 2、沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870）

1 概述

隔膜腔作为大型高压隔膜泵液力端的关键件之一，其结构强度强度关系着隔膜泵液力端能否安全、稳定运行。随着有限单元法及其商业化软件在机械行业的不断推广和应用，现如今通常采用三维建模加静强度分析的模式来确定其结构强度和安全性。以某工作压力8MPa的隔膜腔为例，本文利用有限单元法研究了隔膜腔结构尺寸及形状变化对强度的影响，为隔膜腔设计提供参考。

2 隔膜腔结构尺寸变化对应力的影响

2.1 隔膜腔与腔体连接处厚度变化对应力影响分析

以该隔膜腔（将隔膜腔与内胆做成一体）为研究对象，如图1所示，利用ADINA软件对隔膜腔进行分析；采用1/4模型进行分析，约束对称面及隔膜腔与腔体法兰连接端面；在隔膜腔与隔膜室盖、隔膜腔与出料阀箱螺栓连接处施加螺栓力；在隔膜腔与矿浆接触位置施加计算压力。隔膜腔三维有限元分析几何模型、网格模型分别如图2和图3所示。

图1 修改尺寸前后的隔膜腔结构对比

图2 隔膜腔几何模型

图3 隔膜腔有限元模型

图4 隔膜腔应力云图、位移云图

当图1中高亮尺寸为0.1 m时，隔膜腔的有限元模型及单元、节点应力云图和位移云图如4所示。

2.2 不同接口厚度尺寸隔膜腔的强度分析

首先对隔膜腔图中浅色高亮尺寸不断增大的情况下，分析隔膜腔隔膜头圆角和冠线圆角处应力的变化。隔膜腔图中浅色高亮尺寸由174mm减小为100mm，对应的应力变化如表1所示。

从表1中可以看出，随着图中浅色高亮尺寸减小，隔膜头圆角和冠线圆角处的应力值不断增大。

表1 隔膜腔不同尺寸对应的应力结果

3 隔膜腔不同外形结构对应力的影响

以外形结构如图5所示、实际工作压力为8MPa的隔膜腔为研究对象，改隔膜腔的外轮廓获得了不同的隔膜腔结构（图中浅色高亮尺寸为修改的尺寸），施加8MPa压力，计算两种结构隔膜头圆角的应力，如表2所示。

图5 隔膜腔外轮廓修改前后的模型图

表2 隔膜腔应力对比分析

从表2看出，将外形修改后，增大了隔膜腔的质量，圆角处厚度有较大的增加，隔膜头圆角处应力降低了，相对于质量的增加，应力的降低不明显。

4 隔膜腔隔膜头圆角尺寸对结构应力的影响

以不同隔膜头部圆角半径为研究对象，研究增大隔膜头圆角半径对隔膜腔应力的影响。

对图6中浅色高亮显示的隔膜头圆角半径由15mm以2mm为步长增加到30mm时，隔膜腔最大应力的变化，如表3所示。

图6 隔膜头圆角尺寸示意图

表3 隔膜腔最大应力

由表3可以看出，隔膜头圆角变化对隔膜头圆角应力影响较大，随着圆角半径变大，应力显著减小，在圆角半径增大到25mm时，隔膜腔在其他尺寸不变的情况下，隔膜腔的疲劳安全系数达到合格要求。

5 结论

以现有的分析方法计算隔膜腔，可以看出隔膜腔隔膜头圆角半径大小对隔膜头应力影响较敏感，因此在满足其他使用要求的情况下，可尽量增大圆角半径以降低应力。