摘要：本文基于PERA SIM Mechanical通用結構仿真軟件建立了泵蓋熱結構耦合仿真的過程，從導入幾何模型開始，到劃分四面體網格、賦予模型不同的材料參數、施加邊界條件和載荷過程，以及分析求解設置，最終得到泵蓋熱變形與熱應力的分析結果，對泵蓋的結構強度設計提供指導建議。

關鍵詞：泵蓋；熱結構耦合；熱變形；熱應力

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1.引言

通過熱結構耦合仿真分析，可以深入理解泵蓋在高溫環境下由于熱膨脹和收縮而產生的熱應力。這些熱應力可能導致泵蓋結構變形、疲勞甚至失效。同時預測泵蓋結構熱變形，對于確保泵蓋與其他部件的配合精度和密封性能至關重要。此外，根據仿真分析的結果，可以對泵蓋的結構設計進行優化，例如增加筋板、改變壁厚或材料配置等，以提高其抗熱應力和抗變形能力。

本文基于PERA SIM Mechanical仿真分析軟件建立了泵蓋熱結構耦合仿真的過程，從導入幾何模型開始，到劃分四面體網格、賦予泵蓋材料參數、施加溫度和靜力載荷與邊界條件，以及設置熱結構耦合仿真分析參數，最終得到泵蓋熱變形與熱應力分析結果。分析得到的熱變形結果和熱應力結果，對泵蓋的結構優化設計、壽命評估、密封性能都具有一定的指導意義。

2.問題描述

本文研究對象為泵蓋，主要用于工程機械中需要密閉的箱體結構中，實現傳遞載荷、提供支撐以及保護箱體內部零部件的作用。在使用過程中，利用密封圈和螺栓進行密封和連接裝配。

3.計算結果分析

3.1 模型建立及簡化

泵蓋幾何模型文件格式為x_t，直接導入PERA SIM Mechanical中。本次分析的泵蓋幾何模型如圖1所示：

圖1 泵蓋熱結構耦合仿真分析的幾何模型

3.2 網格劃分

由于泵蓋結構形式較為簡單，本文采用一階四面體單元，生成有限元網格模型。為了獲得更精確的結果，設置網格劃分的單元尺寸為4mm，最小尺寸為2mm，最大尺寸為6mm。對于泵蓋倒圓角關鍵位置設置局部網格控制尺寸為1.5mm。程序自動在不同的網格尺寸間進行過渡。最終得到的單元總數為251448，節點總數為54256。網格模型如下：

圖2 泵蓋網格模型

3.3 材料定義

本文所研究的泵蓋材料為鋁合金， 在進行熱結構耦合仿真分析中，需要設置相應的力學和熱材料屬性。

3.4施加載荷與邊界條件

泵蓋與箱體的配合面為溫度載荷邊界，其溫度值為60攝氏度。泵蓋內腔為溫度載荷邊界，其溫度值為90攝氏度。泵蓋整個外表面為對流換熱的邊界條件，其對流換熱系數為5.0e-6W/mm2℃，環境參考溫度為20攝氏度。具體如下圖所示：

圖3 泵蓋與箱體的配合面溫度載荷

圖4 泵蓋內腔溫度載荷

圖5 泵蓋外表面對流換熱邊界

設置泵蓋與箱體的配合面為固定支撐，泵蓋內部腔體壓力載荷為10MPa，泵蓋凸起的圓孔處，為集中力載荷，FX=1000N，FY=0N，FZ=1500N。具體如下圖所示：

圖6 泵蓋外表面對流換熱邊界

圖7 泵蓋內腔表面壓力載荷

圖8 泵蓋凸起孔集中力載荷

4.計算結果分析

4.1 計算分析設置

對于泵蓋的熱結構耦合仿真分析，需建立穩態熱仿真分析類型和熱結構耦合仿真分析類型，并需首先計算泵蓋穩態熱工況，然后才能計算其熱結構耦合仿真分析。本次分析中，對于其他分析設置，均采用默認設置。最后提交作業進行計算即可。

4.2 泵蓋熱結構耦合仿真計算結果

計算完成后，通過在相應的作業上右鍵點擊加載結果，即可進入到結果后處理模塊。具體結果如下圖所示：

圖9 泵蓋溫度場結果

圖10 泵蓋溫度場切面結果

圖11 泵蓋熱變形結果

圖12 泵蓋等效熱應力結果

從以上的分析結果可以得到，泵蓋的溫度分布結果，最大熱變形為0.292mm，最大等效熱應力為240.943MPa。

5.總結

本文以國產自主研發的PERA SIM Mechanical通用結構仿真軟件，對泵蓋熱結構耦合工況進行了有限元仿真分析，得到了泵蓋的溫度分布結果、熱變形和熱應力結果。為泵蓋的結構優化設計、強度及壽命評估提供一定的參考信息。

綜上可得，基于國產自主研發的PERA SIM Mechanical通用結構仿真軟件在計算泵蓋熱結構耦合仿真分析的過程中，能完整地對模型的材料定義、網格劃分、溫度載荷邊界、靜態力載荷、分析求解和結果查看進行處理，流程完善，求解器功能也比較強。

作者：安世亞太結構工程師 王永威