基于PERA SIM的泵盖热结构耦合仿真分析

摘要：本文基于PERA SIM Mechanical通用结构仿真软件建立了泵盖热结构耦合仿真的过程，从导入几何模型开始，到划分四面体网格、赋予模型不同的材料参数、施加边界条件和载荷过程，以及分析求解设置，最终得到泵盖热变形与热应力的分析结果，对泵盖的结构强度设计提供指导建议。

关键词：泵盖；热结构耦合；热变形；热应力

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1.引言

通过热结构耦合仿真分析，可以深入理解泵盖在高温环境下由于热膨胀和收缩而产生的热应力。这些热应力可能导致泵盖结构变形、疲劳甚至失效。同时预测泵盖结构热变形，对于确保泵盖与其他部件的配合精度和密封性能至关重要。此外，根据仿真分析的结果，可以对泵盖的结构设计进行优化，例如增加筋板、改变壁厚或材料配置等，以提高其抗热应力和抗变形能力。

本文基于PERA SIM Mechanical仿真分析软件建立了泵盖热结构耦合仿真的过程，从导入几何模型开始，到划分四面体网格、赋予泵盖材料参数、施加温度和静力载荷与边界条件，以及设置热结构耦合仿真分析参数，最终得到泵盖热变形与热应力分析结果。分析得到的热变形结果和热应力结果，对泵盖的结构优化设计、寿命评估、密封性能都具有一定的指导意义。

2.问题描述

本文研究对象为泵盖，主要用于工程机械中需要密闭的箱体结构中，实现传递载荷、提供支撑以及保护箱体内部零部件的作用。在使用过程中，利用密封圈和螺栓进行密封和连接装配。

3.计算结果分析

3.1 模型建立及简化

泵盖几何模型文件格式为x_t，直接导入PERA SIM Mechanical中。本次分析的泵盖几何模型如图1所示：

图1 泵盖热结构耦合仿真分析的几何模型

3.2 网格划分

由于泵盖结构形式较为简单，本文采用一阶四面体单元，生成有限元网格模型。为了获得更精确的结果，设置网格划分的单元尺寸为4mm，最小尺寸为2mm，最大尺寸为6mm。对于泵盖倒圆角关键位置设置局部网格控制尺寸为1.5mm。程序自动在不同的网格尺寸间进行过渡。最终得到的单元总数为251448，节点总数为54256。网格模型如下：

图2 泵盖网格模型

3.3 材料定义

本文所研究的泵盖材料为铝合金， 在进行热结构耦合仿真分析中，需要设置相应的力学和热材料属性。

3.4施加载荷与边界条件

泵盖与箱体的配合面为温度载荷边界，其温度值为60摄氏度。泵盖内腔为温度载荷边界，其温度值为90摄氏度。泵盖整个外表面为对流换热的边界条件，其对流换热系数为5.0e-6W/mm2℃，环境参考温度为20摄氏度。具体如下图所示：

图3 泵盖与箱体的配合面温度载荷

图4 泵盖内腔温度载荷

图5 泵盖外表面对流换热边界

设置泵盖与箱体的配合面为固定支撑，泵盖内部腔体压力载荷为10MPa，泵盖凸起的圆孔处，为集中力载荷，FX=1000N，FY=0N，FZ=1500N。具体如下图所示：

图6 泵盖外表面对流换热边界

图7 泵盖内腔表面压力载荷

图8 泵盖凸起孔集中力载荷

4.计算结果分析

4.1 计算分析设置

对于泵盖的热结构耦合仿真分析，需建立稳态热仿真分析类型和热结构耦合仿真分析类型，并需首先计算泵盖稳态热工况，然后才能计算其热结构耦合仿真分析。本次分析中，对于其他分析设置，均采用默认设置。最后提交作业进行计算即可。

4.2 泵盖热结构耦合仿真计算结果

计算完成后，通过在相应的作业上右键点击加载结果，即可进入到结果后处理模块。具体结果如下图所示：

图9 泵盖温度场结果

图10 泵盖温度场切面结果

图11 泵盖热变形结果

图12 泵盖等效热应力结果

从以上的分析结果可以得到，泵盖的温度分布结果，最大热变形为0.292mm，最大等效热应力为240.943MPa。

5.总结

本文以国产自主研发的PERA SIM Mechanical通用结构仿真软件，对泵盖热结构耦合工况进行了有限元仿真分析，得到了泵盖的温度分布结果、热变形和热应力结果。为泵盖的结构优化设计、强度及寿命评估提供一定的参考信息。

综上可得，基于国产自主研发的PERA SIM Mechanical通用结构仿真软件在计算泵盖热结构耦合仿真分析的过程中，能完整地对模型的材料定义、网格划分、温度载荷边界、静态力载荷、分析求解和结果查看进行处理，流程完善，求解器功能也比较强。

作者：安世亚太结构工程师 王永威