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離心泵具有節能且生產率高的優點，被廣泛應用。葉輪是離心泵最重要的工作元件之一。葉輪的性能取決于水力設計，也和結構設計有著密切的聯系，其可靠性設計對整個離心泵的安全運行有著重要影響，因此對離心泵葉輪在工作狀態下的應力分析及變形進行研究具有重要的應用價值。理論計算、應力應變測試及數值計算是對機械設備的結構力學行為進行強度分析的3種方法。由于葉輪結構復雜且作高速旋轉運動，理論計算和應力測試相對困難，以往主要依靠長期的經驗積累進行設計。計算機技術的進步促進了數值計算方法的發展，有限元法(FEM)逐漸成為輔助工程師進行產品設計及分析的重要手段。本研究應用有限元分析軟件ANSYS workbench對離心泵葉輪進行流體流動和結構之間的單向耦合分析，驗證了設計的葉輪滿足強度要求，為其結構設計提供了數值依據。葉輪強度分析計算流程如圖所示。
Solidworks軟件因其性能優異且易用，極大地提高了機械設計工程師的設計效率和質量。本研究采用Solidworks軟件完成葉輪的三維造型和流體流動空間的幾何模型。按一般特征建模的方法，在葉輪主要幾何尺寸確定的情況下，建立了葉輪的三維模型。由于流體分析對象是流過葉輪的液體，所以需建立葉輪內過流區域的幾何模型。葉輪與流動空間三維幾何模型如圖所示。
采用三維設計軟件Solidworks進行葉輪內流動空間幾何模型的三維造型。將其以Parasolid格式導入Gambit前處理軟件，應用Gambit軟件進行網格劃分及邊界條件定義。其網格模型，對于離心泵葉輪中不可壓縮流體的定常流動，根據布辛涅斯克(Boussinesq)渦粘性假設，連續方程和動量方程可以寫成張量形式，利用ANSYS workbench中的Fluent模塊加載流場網格模型。葉輪設計工況為給定速度入口、壓力出口及無滑移壁面邊界條件。采用N-S控制方程、標準K模型、SIMPLEC算法、QUICK差分格式對葉輪內旋轉流場進行了三維流動計算。葉輪內流體壓力分布如圖所示，其最大壓力0.157MPa。
葉輪的強度分析的目的是計算葉輪在工作載荷下的變形、應力分布情況和最大應力的數值，以檢驗該葉輪的設計能否滿足現場使用要求。葉輪的制造工藝為沖壓焊接，其結構為閉式葉輪。由于葉輪轉速比較大，根據設計經驗選擇葉輪的材料為鋁合金，則材料的彈性模量為70GPa，泊松比是0.34，屈服強度為45MPa，密度為2770kg/m3。結構分析通常以位移為基本變量，借助于平衡條件求解，其力平衡方程為ANSYS提供了3種創建模型的方法：實體建模方法、直接建模方法和輸入在其他計算機輔助設計系統中創建的模型。ANSYS提供CAD導入接口，可以通過如ICES，STEP，Parasolid等格式文件輸入ANSYS。為了避免修改模型，選用了出錯較少的Parasolid格式導入葉輪三維模型。由于葉輪實體模型形狀比較復雜，應用映射網格劃分方法很難將其劃分，所以應用自由網格劃分的方法對其進行網格劃分。網格劃分后的葉輪有限元模型共有153125個單元，237244個節點。葉輪工作時是由主軸驅動做高速旋轉，主軸通過鍵將扭矩傳遞給葉輪，因此葉輪的鍵槽表面要承受由主軸傳來的扭矩。
由于葉輪的轉速較高，因此在葉輪旋轉時要產生較大的慣性力。此外葉輪旋轉對流體做功，因此葉輪還要承受較大的液體壓力。還有葉輪自身的重力，但由于葉輪的轉速高，慣性大，而且葉面承受的壓力也較大，所以與上述2種力相比葉輪自身的重力可以被忽略不計。模型加載如下：1)施加約束，限制葉輪鍵槽工作面的自由度，2)慣性載荷，通過定義旋轉速度施加離心力，3)流體壓力，通過流體分析已得出了葉輪內流體壓力的分布，只需選擇正確的葉輪表面，重新導入靜態分析即可。
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