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大型三缸单作用隔膜泵动力端强度分析及结构优化研究
| 论文题名： | 大型三缸单作用隔膜泵动力端强度分析及结构优化研究 |
| 关键词： | 长距离管道运输;大型隔膜泵;动力端强度;结构优化 |
| 摘要： | 隔膜泵作为往复泵中的一种特殊型式，因其液力端的特殊构造，成为长距离管道运输中的关键设备之一，特别是在高磨蚀性和高浓度的固液两相介质长距离管道运输领域占据绝对优势。随着近年来管道运输行业的快速发展，对隔膜泵的性能指标提出了更高的需求。不仅要求隔膜泵具有更高的工作效率，还要求其具有更低能耗、更高的可靠性以及更轻的质量。因此，本文以重泵公司3D系列某型号大型隔膜泵动力端作为研究对象，在不降低动力端各构件的刚度、强度的条件下，对各构件进行结构优化，以期降低动力端的质量，为隔膜泵的机座及液力端的轻量化设计奠定基础。本文的主要研究内容如下： 首先，通过隔膜泵的工作原理，分析了动力端中主要构件的运动规律，并在考虑重力、摩擦力、惯性力的情况下基于达朗贝尔原理得到了曲轴、十字头、连杆之间的相互作用力，使用MATLAB编程得到各构件间作用力随曲柄转角变化的曲线。随后，借助虚拟样机技术对动力端进行运动学和动力学仿真分析，并在动力学仿真中增加接触碰撞力，模拟更真实的运动情况。仿真结果与理论结果对比发现，仿真值与理论值变化趋势一致，证明了理论计算结果的正确性。但在动力学分析中，仿真值总是小于理论值，因此将理论值作为有限元分析的载荷条件更为保守。 基于Workbench分别对曲轴、连杆、十字头进行了静力学分析，确定了其强度、刚度满足使用要求，找到了各构件的最危险工况以及对应工况下的载荷条件，为后续的优化工作奠定基础。此外，还对各构件分别进行模态分析，得到各构件在约束条件下的前十阶固有频率和振型，为优化工作提供一定的动力学特性依据，并通过谐响应分析得到各构件在激励作用下的位移幅值响应谱，为动力端各构件的外部激励频率提供建议。 以有限元分析结果作为各构件设计变量选取的依据，结合各构件主要的长、宽、高尺寸参数确定设计变量，以各构件的最大应力值、最大变形量、质量为优化目标，分别使用中心复合设计方法设计试验样本点，分别使用 RBF 神经网络作为代理模型拟合设计变量与优化目标的映射关系，分别使用 NSGA-Ⅱ算法寻找最优尺寸组合方案。最终，在曲轴、连杆、十字头的强度、刚度没有发生明显变化的情况下，三者的质量分别下降了12.35%、26.46%和24.42%，且优化后的曲轴、连杆、十字头在低阶频率段内的固有频率有所上升。 |
| 作者： | 龚钞 |
| 专业： | 机械(机械工程) |
| 导师： | 马文生 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆理工大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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