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摘要：磁力泵冷却工作介质的压力以及涡流热产生的温度影响关键零部件的应力和应变的分布，利用AnsysWorkbench有限元方法对关键零部件进行流热固耦合数值计算分析。计算分析可得：不同温度下关键零部件的最大等效应力值和变形量不同，随着温度的升高而线性增大;等效应力值较高的发生部位为隔离套筒壁与隔离套法兰的连接处及内磁转子与泵轴连接面处;应变量较大的发生部位为靠近内磁转子的隔离套筒壁处;尽量保证冷却工作介质的冷却温度在45℃以下。
Abstract： The pressure of the cooling working medium and the temperature affect the stress and strain distribution of the key parts and analyzed by ansysworkbench finite element method. Computing and analysis： the maximum equivalent force and deformation of key components at different temperatures increase linearly; the connection between the isolation sleeve wall and the isolation sleeve flange and the connection surface of the inner magnetic rotor and the pump shaft; the occurrence is near the inner magnetic rotor; the cooling temperature of the cooling working medium is below 45℃.
關键词：磁力驱动泵;关键零部件;流热固耦合;结构分析;应力应变
Key words： magnetic drive pump;key components;flow heat and solid coupling;structural analysis;stress strain
中图分类号：TH35 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）16-0033-03
0 引言
磁力驱动泵是一种无密封、零泄漏的泵。其关键零部件包括隔离套、泵轴、内磁转子及外磁转子组成利用永磁传动技术，当隔离套外部的外磁转子被电动机带动旋转时，通过磁力带动隔离套内部的内磁转子转动，进而带动泵轴转动工作。隔离套处在内、外磁转子交变的磁场中，在隔离套的内壁上产生涡流热[1]。在关键零部件内部设置冷却流道以使工作介质在隔离套内部流动时冷却涡流热。在进入隔离套内的工作介质流量确定的情况下，冷却流道的压力值分布基本是稳定的，但涡流热随着工况时间的长短而变化，故隔离套的结构受涡流热和压力的共同作用。但流场和温度场作用下对关键零部件结构的影响在磁力泵工作状态是无法考量的，在流场和温度场变化下研究其结构影响机理具有重要的意义。
ZhenJun Gao等[2]利用CFX软件对磁驱动泵进行了全流场数值研究，得到了冷却循环通道的压力脉动特性和泵的外部特性曲线。Fanyu KONG等[3]采用FLUENT对不同转速的磁驱动泵的内部流场进行了模拟，在分析速度和压力的基础上，计算并讨论了不同转速的磁驱动泵功率损失的不同原因。高振军等[5]对磁力驱动离心泵内的热量交换及温度分布规律进行研究，分析了冷却循环流道内温度，对流换热系数以及压力温度曲线的变化规律。但学者们对于磁力驱动泵的流热固耦合问题研究还较少。隔离套的筒壁薄，工作介质的压力和涡流热产生的温度对隔离套的筒壁的影响是不可忽视的。故以模型磁力驱动泵关键零部件为研究对象，采用流热固物理场耦合方法对冷却流道流场和热场对磁力驱动泵结构进行研究，分析流热物理场共同作用下零部件的结构变化情况，以期对磁力泵的结构设计提供理论指导。
1 流热固耦合计算模型的建立
80CQ-50型磁力驱动泵的结构图如图1所示， 本文主要分析工作介质进入关键零部件内部流动对涡流热进行冷却时，工作介质产生的流场及涡流热产生的温度场共同作用下对关键零部件结构的影响。根据图1所示关键零部件中每个零部件的实际结构尺寸，利用SolidWorks软件建立磁力驱动泵关键零部件模型，如图2（a）所示。在AnsysWorkbench软件中填充得到等比例流体模型，忽略泵轴轴系上的轴承及固定件，得到流热固耦合简化模型，整个结构是对称的，取模型的一半为计算模型，流热固耦合简化计算模型如图2（b）所示。
2 流热固耦合场仿真计算分析
2.1 磁力驱动泵参数设计
选用80CQ-50型磁力驱动泵，隔离套筒壁采用不锈钢304，隔离套筒壁壁厚1.2mm，隔离套内壁与内磁转子外壁工作间隙2.6mm，其他参数见表1。
2.2 网格的划分
在Ansys软件中对流体区域网格划分，流体区域采用六面体网格和四面体网格划分，用尺寸函数过渡，流体区域网格划分如图3（b）所示。在AnsysWorkbench的Static Structural结构分析模块中，抑制几何模型中的流体区域，对固体区域隔离套采用四面体网格，内磁转子和泵轴采用六面体网格，固体区域网格划分如图3（a）所示。 2.3 耦合场数值计算边界条件
流场数值计算时，取入口边界条件为速度进口，水力直径为4mm。出口边界条件为压力出口，且抑制回流，水力直径为5mm。壁面无滑移，采用标准k-ε湍流模型，收敛精度为10-5。具体仿真参数设置值见表2。
以隔离套和泵盖的连接结合面作为固定支点[5]，隔离套的内壁面作为流固耦合交界面FSI。在AnsysWorkbench中的Fluent流场分析模块中计算隔离套内部工作介质流动时的压力分布值，计算所得的与隔离套内壁面接触流体层的压力分布值作为载荷加载到隔离套的内壁面上，如图4所示。本文分析在工作介质压力作用下，当涡流热产生的温度为45℃、50℃、55℃、60℃及65℃下磁力泵关键零部件的应力应变情况及变形情况。
2.4 流热固耦合场数值计算结果及分析
从图5～图8可知，当工作介质进入隔离套内部流量一定的情况下，不同温度下关键零部件的最大等效应力值和变形量是不同的，其都随着温度的升高而增大。工作介质在隔离套内部流动时，带走涡流热所产生的温度，在隔离套底部的工作介质与内磁转子的接触面处等效应力值和应变量较大。等效应力值较高的发生部位有3处，分别对应在隔离套筒壁与隔离套法兰的连接处、内磁转子靠近与泵轴连接面处以及隔离套底部工作介质与内磁转子的接触面处。而变形量较大的发生部位为靠近内磁转子的隔离套筒壁处、内磁转子的轴向两端面处。
涡流热产生的温度45℃以下时，最大等效应力为582.2MPa，隔离套筒壁最大应变量为0.0029mm。应力应变随着温度的升高而线性的增大，如图4所示到图7所示。当涡流热的温度达到65℃时，最大等效应力为918.9MPa，隔离套筒壁最大应变量为0.0046mm。
3 结论
①在隔离套内部工作介质流场压力一定的情况下，不同温度下关键零部件的最大等效应力值和变形量不同，其都隨着温度的升高而线性增大。②应变量较大的发生部位为靠近内磁转子的隔离套筒壁处、内磁转子的轴向两端面处。③等效应力值较高的发生部位为隔离套筒壁与隔离套法兰的连接处、内磁转子与泵轴连接面处以及靠近隔离套底部的内磁转子端面处。④涡流热产生的温度45℃以下时，最大等效应力为582.2MPa，隔离套筒壁最大变形量为0.0029mm，为磁力泵冷却工作介质的温度要求提供理论指导依据。
参考文献：
[1]刘凯.磁力泵传动特性测试方法研究[D].浙江大学，2020.
[2]Zhenjun Gao，Chaoqun Hu，Jianrui Liu，Feng Hong.The study on pressure pulsation of cooling circulating channel of magnetic drive pump[J].Journal of Vibroengineering，Volume 21， Issue 5. 2019. PP 1456-1471.
[3]辛露，吴春华.径向磁力轴承温度场分析与计算[J].机械制造，2011，49（562）：18-21.
[4]宋学官.流固耦合分析与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2012：3.
[5]Qi ZHANG，Mei-shuang HE.Flow field analysis and structure optimization of high-pressure rotary joint based on unidirectional fluid-solid coupling[J]. MACHINE TOOL & HYDRAULICS，2020，48（24）：118-124.
Abstract： The pressure of the cooling working medium and the temperature affect the stress and strain distribution of the key parts and analyzed by ansysworkbench finite element method. Computing and analysis： the maximum equivalent force and deformation of key components at different temperatures increase linearly; the connection between the isolation sleeve wall and the isolation sleeve flange and the connection surface of the inner magnetic rotor and the pump shaft; the occurrence is near the inner magnetic rotor; the cooling temperature of the cooling working medium is below 45℃.
關键词：磁力驱动泵;关键零部件;流热固耦合;结构分析;应力应变
Key words： magnetic drive pump;key components;flow heat and solid coupling;structural analysis;stress strain
中图分类号：TH35 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）16-0033-03
0 引言
磁力驱动泵是一种无密封、零泄漏的泵。其关键零部件包括隔离套、泵轴、内磁转子及外磁转子组成利用永磁传动技术，当隔离套外部的外磁转子被电动机带动旋转时，通过磁力带动隔离套内部的内磁转子转动，进而带动泵轴转动工作。隔离套处在内、外磁转子交变的磁场中，在隔离套的内壁上产生涡流热[1]。在关键零部件内部设置冷却流道以使工作介质在隔离套内部流动时冷却涡流热。在进入隔离套内的工作介质流量确定的情况下，冷却流道的压力值分布基本是稳定的，但涡流热随着工况时间的长短而变化，故隔离套的结构受涡流热和压力的共同作用。但流场和温度场作用下对关键零部件结构的影响在磁力泵工作状态是无法考量的，在流场和温度场变化下研究其结构影响机理具有重要的意义。
ZhenJun Gao等[2]利用CFX软件对磁驱动泵进行了全流场数值研究，得到了冷却循环通道的压力脉动特性和泵的外部特性曲线。Fanyu KONG等[3]采用FLUENT对不同转速的磁驱动泵的内部流场进行了模拟，在分析速度和压力的基础上，计算并讨论了不同转速的磁驱动泵功率损失的不同原因。高振军等[5]对磁力驱动离心泵内的热量交换及温度分布规律进行研究，分析了冷却循环流道内温度，对流换热系数以及压力温度曲线的变化规律。但学者们对于磁力驱动泵的流热固耦合问题研究还较少。隔离套的筒壁薄，工作介质的压力和涡流热产生的温度对隔离套的筒壁的影响是不可忽视的。故以模型磁力驱动泵关键零部件为研究对象，采用流热固物理场耦合方法对冷却流道流场和热场对磁力驱动泵结构进行研究，分析流热物理场共同作用下零部件的结构变化情况，以期对磁力泵的结构设计提供理论指导。
1 流热固耦合计算模型的建立
80CQ-50型磁力驱动泵的结构图如图1所示， 本文主要分析工作介质进入关键零部件内部流动对涡流热进行冷却时，工作介质产生的流场及涡流热产生的温度场共同作用下对关键零部件结构的影响。根据图1所示关键零部件中每个零部件的实际结构尺寸，利用SolidWorks软件建立磁力驱动泵关键零部件模型，如图2（a）所示。在AnsysWorkbench软件中填充得到等比例流体模型，忽略泵轴轴系上的轴承及固定件，得到流热固耦合简化模型，整个结构是对称的，取模型的一半为计算模型，流热固耦合简化计算模型如图2（b）所示。
2 流热固耦合场仿真计算分析
2.1 磁力驱动泵参数设计
选用80CQ-50型磁力驱动泵，隔离套筒壁采用不锈钢304，隔离套筒壁壁厚1.2mm，隔离套内壁与内磁转子外壁工作间隙2.6mm，其他参数见表1。
2.2 网格的划分
在Ansys软件中对流体区域网格划分，流体区域采用六面体网格和四面体网格划分，用尺寸函数过渡，流体区域网格划分如图3（b）所示。在AnsysWorkbench的Static Structural结构分析模块中，抑制几何模型中的流体区域，对固体区域隔离套采用四面体网格，内磁转子和泵轴采用六面体网格，固体区域网格划分如图3（a）所示。 2.3 耦合场数值计算边界条件
流场数值计算时，取入口边界条件为速度进口，水力直径为4mm。出口边界条件为压力出口，且抑制回流，水力直径为5mm。壁面无滑移，采用标准k-ε湍流模型，收敛精度为10-5。具体仿真参数设置值见表2。
以隔离套和泵盖的连接结合面作为固定支点[5]，隔离套的内壁面作为流固耦合交界面FSI。在AnsysWorkbench中的Fluent流场分析模块中计算隔离套内部工作介质流动时的压力分布值，计算所得的与隔离套内壁面接触流体层的压力分布值作为载荷加载到隔离套的内壁面上，如图4所示。本文分析在工作介质压力作用下，当涡流热产生的温度为45℃、50℃、55℃、60℃及65℃下磁力泵关键零部件的应力应变情况及变形情况。
2.4 流热固耦合场数值计算结果及分析
从图5～图8可知，当工作介质进入隔离套内部流量一定的情况下，不同温度下关键零部件的最大等效应力值和变形量是不同的，其都随着温度的升高而增大。工作介质在隔离套内部流动时，带走涡流热所产生的温度，在隔离套底部的工作介质与内磁转子的接触面处等效应力值和应变量较大。等效应力值较高的发生部位有3处，分别对应在隔离套筒壁与隔离套法兰的连接处、内磁转子靠近与泵轴连接面处以及隔离套底部工作介质与内磁转子的接触面处。而变形量较大的发生部位为靠近内磁转子的隔离套筒壁处、内磁转子的轴向两端面处。
涡流热产生的温度45℃以下时，最大等效应力为582.2MPa，隔离套筒壁最大应变量为0.0029mm。应力应变随着温度的升高而线性的增大，如图4所示到图7所示。当涡流热的温度达到65℃时，最大等效应力为918.9MPa，隔离套筒壁最大应变量为0.0046mm。
3 结论
①在隔离套内部工作介质流场压力一定的情况下，不同温度下关键零部件的最大等效应力值和变形量不同，其都隨着温度的升高而线性增大。②应变量较大的发生部位为靠近内磁转子的隔离套筒壁处、内磁转子的轴向两端面处。③等效应力值较高的发生部位为隔离套筒壁与隔离套法兰的连接处、内磁转子与泵轴连接面处以及靠近隔离套底部的内磁转子端面处。④涡流热产生的温度45℃以下时，最大等效应力为582.2MPa，隔离套筒壁最大变形量为0.0029mm，为磁力泵冷却工作介质的温度要求提供理论指导依据。
参考文献：
[1]刘凯.磁力泵传动特性测试方法研究[D].浙江大学，2020.
[2]Zhenjun Gao，Chaoqun Hu，Jianrui Liu，Feng Hong.The study on pressure pulsation of cooling circulating channel of magnetic drive pump[J].Journal of Vibroengineering，Volume 21， Issue 5. 2019. PP 1456-1471.
[3]辛露，吴春华.径向磁力轴承温度场分析与计算[J].机械制造，2011，49（562）：18-21.
[4]宋学官.流固耦合分析与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2012：3.
[5]Qi ZHANG，Mei-shuang HE.Flow field analysis and structure optimization of high-pressure rotary joint based on unidirectional fluid-solid coupling[J]. MACHINE TOOL & HYDRAULICS，2020，48（24）：118-124.