利用ANSYS 對旋片式真空泵的轉子進行靜力和模態分析，其結果為旋片式真空泵的設計提供了科學的參考數據，為進一步的有限元分析和優化設計提供了理論依據，從而提高了真空泵的設計質量。

一、引言

　　旋片真空泵是利用轉子和可在轉子槽內滑動的旋片的旋轉運動以獲得真空的一種變容機械真空泵，當采用工作液來進行潤滑并填充泵腔死隙，分隔排氣閥和大氣時，即為通常所稱的油封旋片真空泵。旋片真空泵，可以廣泛用于石油、化工、印刷、包裝機等工業。

　　轉子作為真空泵的主要零件，是保證泵正常工作的關鍵因素之一。轉子的受力變形情況需要充分考慮，由于泵工作過程中轉子密封在泵機座內，受力和變形情況不易測量。因此，用有限元方法對轉子進行結構靜力分析和模態分析，可以提高設計水平和降低轉子設計與制造成本。更有利于對轉子和泵進行設計。

二、旋片式真空泵轉子幾何模型的建立

　　本文利用了Pro/ENGINEER 的強大建模功能建立轉子模型，再通過ANSYS-Pro/E 接口轉換，將在Pro/E 建立的模型直接導入到ANSYS，實現兩者的無縫連接。所建立的轉子的幾何模型如圖1 所示。

圖1 轉子的幾何模型

三、旋片式真空泵轉子的有限元分析

　　1、旋片式真空泵轉子有限元模型的建立

　　在ANSYS 中，選擇Solid45 單元進行有限元網格分析，此單元為三維實體8 節點四面體單元。此轉子的材料為QT400，彈性模量為“1.5e11”、泊松比為“0.3”、密度為7 300kg/m3。一般情況下，在計算機硬件計算能力許可的條件下，單元包含的節點數越多，劃分有限元網格的精度就越高，ANSYS 得到的分析結果就越準確。本文網格采用自由網格劃分，劃分后得到的轉子有限元模型如圖2 所示。

圖2 轉子的有限元模型

　　2、靜力分析

　　靜力分析用于求解靜力載荷作用下結構的位移、應力等。有限元靜力分析的步驟為：幾何模型的建立，施加載荷和邊界條件、求解，結果評價與分析。利用圖2 中的有限元模型，約束加載在轉子兩端軸承安裝處，限定安裝面的所有位移自由度，并在旋片槽底面上施加承受力表面的均布載荷，載荷大小為1200N。求解后，查看變形前后比較圖，如圖3 所示。總應力分布如圖4 所示。各方向的最大應力如表1所示。

圖3 總變形圖

圖4 總應力分布圖

表1 靜態分析所得不同方向上最大應力

　　3、模態分析

　　模態分析也是結構分析的一種形式，模態分析用于計算結構的固有頻率和模態。模態分析的步驟為：建立模型，加載并求解，擴展模態與觀察結果。

　　有限元模型如圖2 所示。約束加載在轉子兩端軸承的安裝處，限定安裝面所有的位移自由度。其中前2 階的變形前后比較圖分別如圖5、圖6 示。由于振型現在還沒有被寫到數據庫或結果文件中，因此還要進行后處理，即對模態進行擴展。擴展模態的方法是：再次進入ANSYS 求解器，激活擴展處理及其相關選項，進行擴展模態處理。本文擴展5 階模態，不同模態下箱體所受最大應力如表2 示。

圖5 1 階振型下的應力分布及變形圖

圖6 2 階振型下轉子應力分布及變形圖

表2 不同模態下轉子的最大應力

　　4、計算結果分析

　　根據表1 所列的不同方向上的最大應力，可以看出各方向的最大應力都在材料的需用應力范圍內。由表2 所列的不同模態下的最大應力，可以看出各模態下的最大應力都在材料的需要應力范圍內。在使用的過程中，使真空泵的頻率區別于轉子的頻率就不會產生共振現象，保證真空泵的應用性能。

四、結論

　　在軟件ANSYS 中對真空泵轉子進行了靜力和模態分析，得到了轉子在受靜載荷和前5 階模態下的陣型。并且得出了靜態分析不同方向上最大應力和不同頻率下轉子的最大應力。為轉子及與其相裝配的零部件的進一步動力分析和優化設計提供了科學的參考數據。