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自吸泵有限元分析

2018-12-19 11:20:48林海斌孫俊雯詹昌海伍鵬趙子龍李金富樊健
新型工業(yè)化 2018年10期
關(guān)鍵詞:自吸泵灰鑄鐵殼體

林海斌,孫俊雯,詹昌海,伍鵬,趙子龍,李金富,樊健

(衢州學(xué)院機械工程學(xué)院,浙江 衢州 324000)

0 引言

自吸泵屬自吸式離心泵,屬于普通離心泵的改良版,具有自吸水能力強、安裝方便、傳輸效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等一系列優(yōu)點[1-8]。自吸泵管路中無需安裝底閥,工作前只需保留泵體內(nèi)儲有定量引液即可,大大簡化了管路系統(tǒng),改善了工作條件,降低了對工作環(huán)境的要求,廣泛應(yīng)用于石油、化工、農(nóng)業(yè)等方面。而自吸泵殼體作為自吸泵的主要結(jié)構(gòu),起著固定自吸泵泵體以及承受大量高速水流沖擊的作用,因此自吸泵殼體的穩(wěn)定性是檢驗自吸泵工作穩(wěn)定性的一大重要指標(biāo)?;诖?,本作品提出了一種針對自吸泵殼體性能的有限元分析,通過Solidworks三維建模軟件[9-11]對自吸泵殼體進(jìn)行三維建模,通過Simulation軟件對自吸泵殼體進(jìn)行有限元分析,分析自吸泵殼體在自然條件下的載荷承受能力,初步估計殼體的工作穩(wěn)定性,為后續(xù)進(jìn)一步研究自吸泵殼體提供較好的依據(jù)[12-14]。

1 有限元分析步驟

新建算例:打開SolidWorks軟件的中的Simulation模塊,進(jìn)行算例新建,并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定(如圖1所示)。(包括算例名稱、單位系統(tǒng)、壓力/應(yīng)力單位、運算結(jié)果文件存儲路徑、數(shù)字格式、小數(shù)位數(shù)的設(shè)定)

材料選定:選定材料應(yīng)用于整個泵殼體。在本次研究中,將以鋁質(zhì)1060合金與灰鑄鐵為主要材料選定對象,鋁質(zhì)1060合金彈性模量69000N/mm2,泊松比0.33,質(zhì)量密度2700kg/mm2;灰鑄鐵彈性模量66178.1N/mm2,泊松比0.27,質(zhì)量密度7200kg/mm2;并進(jìn)行有限元對比分析。

圖1 算例新建圖Fig.1 New example

圖2 泵底部夾具添加圖Fig.2 Pump bottom fixture add drawing

幾何體固定:為了完成一個靜態(tài)分析,模型必須被正確約束,使之無法移動。在本次研究過程中,采用定義夾具對泵底部支撐板塊進(jìn)行固定,以保證泵體在各個方向無運動狀態(tài)(如圖2所示)載荷添加:在此過程中,對模擬實體受力面進(jìn)行模擬加載(如圖3所示),模擬現(xiàn)實中的外部壓力,為有限元分析進(jìn)行加載準(zhǔn)備。

圖3 表面施載圖Fig.3 Surface load diagram

表1 載荷等級分配表Table 1 load level distribution table

圖4 1060合金自吸泵網(wǎng)格劃分Fig.4 1060 alloy self-priming pump mesh division

圖5 灰鑄鐵自吸泵網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh division of grey cast iron self-priming pump

圖 6 1060合金泵殼體低壓應(yīng)力圖Fig.6 1060 low pressure stress diagram of alloy pump housing

圖 7灰鑄鐵泵殼體低壓應(yīng)力圖Fig.7 Low pressure stress diagram of grey cast iron pump housing

但在此次研究過程中,需要進(jìn)行的是對兩種不同材料的自吸泵,在同一受壓平面,施加不同等級的壓力(如表1所示),分析兩種材料的自吸泵在不同的在載荷下應(yīng)力和位移的變化,觀察自吸泵前后發(fā)生的變化[10]。因此,在此過程中,模擬泵殼體受壓情況,將載荷受壓于輸出連接器面上(如圖3所示)。

網(wǎng)格劃分:在任何CFD (Computational Fluid Dynamics)問題上,都要對網(wǎng)格劃分進(jìn)行敏感性分析,以保證結(jié)果的獨立性。SolidWorks Simulation中使用高級技術(shù)指令,將模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,劃分為多個幾何單元。選擇基于曲率的網(wǎng)格,使用良好的網(wǎng)格密度生成網(wǎng)格,有利于幾何體的細(xì)小特征處獲得精確的結(jié)果(如圖4、5所示)。

運行算例:將建模完成的待分析模型進(jìn)行算例分析,以得到相應(yīng)的模擬結(jié)果。

2 有限元分析結(jié)果對比

(1)最大應(yīng)力與最小應(yīng)力分析

圖 8 1060合金泵殼體低壓應(yīng)力側(cè)視圖Fig.8 1060 side view of low pressure stress of alloy pump housing

圖9 灰鑄鐵泵殼體低壓應(yīng)力側(cè)視圖Fig.9 Side view of low pressure stress of grey cast iron pump housing

經(jīng)過有限元分析算例的運行,兩種不同材料的泵殼體得到了不同的應(yīng)力結(jié)果,以下是算例運行后的最大應(yīng)力位置與數(shù)值顯示和最小應(yīng)力位置與數(shù)值顯示:

圖6為給予1060合金材料泵殼2000N(低壓)外部載荷時的有限元分析最大應(yīng)力和最小應(yīng)力產(chǎn)生位置與詳細(xì)應(yīng)力數(shù)值;圖7為給予灰鑄鐵材料泵殼體5000N(低壓)的外部載荷時的有限元分析最大應(yīng)力與最小應(yīng)力產(chǎn)生位置與詳細(xì)應(yīng)力數(shù)值。圖 8和圖9分別為低壓情況下的1060合金泵殼體應(yīng)力側(cè)視圖和灰鑄鐵泵殼體應(yīng)力側(cè)視圖。

圖10為給予1060合金材料8000N(中壓)外部載荷時的有限元分析最大應(yīng)力和最小應(yīng)力產(chǎn)生位置與詳細(xì)應(yīng)力數(shù)值;圖11為給予灰鑄鐵材料泵殼體10000N(中壓)的外部載荷時的有限元分析最大應(yīng)力與最小應(yīng)力產(chǎn)生位置與詳細(xì)應(yīng)力數(shù)值。圖12和圖13分別為中壓情況下的1060合金泵殼體應(yīng)力側(cè)視圖和灰鑄鐵泵殼體應(yīng)力側(cè)視圖。

圖 10 1060合金泵殼體中壓應(yīng)力圖Fig.10 1060 pressure stress diagram of alloy pump housing

圖 11 灰鑄鐵泵殼體中壓應(yīng)力圖Fig.11 Pressure stress diagram of grey cast iron pump housing

圖 12 1060合金泵殼體中壓應(yīng)力側(cè)視圖Fig.12 1060 side view of pressure stress in casing of alloy pump

圖14為給予1060合金材料13000N(高壓)外部載荷時的有限元分析最大應(yīng)力和最小應(yīng)力產(chǎn)生位置與詳細(xì)應(yīng)力數(shù)值;圖15 為給予灰鑄鐵材料泵殼體30000N(高壓)的外部載荷時的有限元分析最大應(yīng)力與最小應(yīng)力產(chǎn)生位置與詳細(xì)應(yīng)力數(shù)值。圖16和圖17分別為高壓情況下的1060合金泵殼體應(yīng)力側(cè)視圖和灰鑄鐵泵殼體應(yīng)力側(cè)視圖。

通過對不同材料在施加不同載荷的情況下,因材料的不同和施加的載荷不同,在應(yīng)力變化方面也出現(xiàn)了不一樣的變化。

圖 13 灰鑄鐵泵殼體中壓應(yīng)力側(cè)視圖Fig.13 Medium pressure side view of gray cast iron pump housing

圖 14 1060合金泵殼體高壓應(yīng)力圖Fig.14 1060 alloy pump shell high pressure stress diagram

圖 15 灰鑄鐵泵殼體高壓應(yīng)力圖Fig.15 High pressure stress diagram of grey cast iron pump shell

圖 16 1060合金泵殼體高壓應(yīng)力側(cè)視圖Fig.16 1060 side view of high pressure stress of alloy pump housing

圖17 灰鑄鐵泵殼體高壓應(yīng)力側(cè)視圖Fig.17 Side view of high pressure stress of grey cast iron pump housing

在施加載荷為低壓情況下,當(dāng)選擇材料為鋁質(zhì)1060合金材料時,為其施加載荷為2000N(低壓)時,產(chǎn)生應(yīng)力的最大值為2.173131×106Pa,產(chǎn)生應(yīng)力的最小值為2.094531×103Pa;當(dāng)選擇材料為灰鑄鐵時,為其施加載荷為5000N(低壓)時,產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為5.679958×106Pa,產(chǎn)生應(yīng)力的最小值為5.458775×103Pa,同時,兩種材料的殼體產(chǎn)生應(yīng)力最大的位置在與施加載荷方向垂直向下的泵殼體支撐部的筋上,產(chǎn)生的最小應(yīng)力的位置在輸出連接器與泵出口的圓角處;當(dāng)施加載荷為中壓(鋁制1060合金為5000N,灰鑄鐵為10000N)時,鋁制1060合金產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為9.08796×107Pa,其位置在與施加載荷方向垂直向下的泵殼體支撐部的筋上,產(chǎn)生的最小應(yīng)力值為8.181226×103Pa,其位置在輸出連接器與泵出口的圓角處,灰鑄鐵產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為1.130773×108Pa,其位置同樣在與施加載荷方向垂直向下的泵殼體支撐部的筋上,產(chǎn)生的最小應(yīng)力值為8.560104×103Pa,但產(chǎn)生的位置有所變化,位于泵輸出孔的另一側(cè)的棱邊圓角處;當(dāng)施加載荷為高壓(鋁制1060合金為13000N,灰鑄鐵為30000N)時,鋁制1060合金所產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為1.425922×108Pa,產(chǎn)生的位置在與施加載荷方向垂直向下的泵殼體支撐部的筋上,產(chǎn)生的最小應(yīng)力值為1.016824×104Pa,產(chǎn)生的位置在泵輸出孔的另一側(cè)的棱邊圓角處,灰鑄鐵產(chǎn)生的最大應(yīng)力在3.392162×108Pa,產(chǎn)生的位置在與施加載荷方向垂直向下的泵殼體支撐部的筋上,產(chǎn)生的最下應(yīng)力值為2.371621×104Pa,產(chǎn)生的位置在泵輸出孔的另一側(cè)的棱邊圓角處。

圖 18 1060合金泵殼體低壓應(yīng)變圖Fig.18 1060 low pressure strain diagram of alloy pump housing

圖 19 灰鑄鐵泵殼體低壓應(yīng)變圖Fig.19 Low pressure strain diagram of grey cast iron pump housing

由以上圖表與數(shù)據(jù)分析,可以知道,泵殼體在承受載荷時其產(chǎn)生的最大應(yīng)力位置與泵殼體材料和施加載荷的大小無關(guān),其最大應(yīng)力數(shù)值因材料的選擇與施加載荷不同而變化,而產(chǎn)生的最小應(yīng)力值與產(chǎn)生的位置因泵殼體的材料和施加的載荷的不同而不同。

圖 20 1060合金泵殼體低壓應(yīng)變側(cè)視圖Fig.20 1060 side view of low pressure strain of alloy pump housing

圖21 灰鑄鐵泵殼體低壓應(yīng)變側(cè)視圖Fig.21 Side view of low pressure strain of grey cast iron pump housing

(2)最大應(yīng)變與最小應(yīng)變分析

通過對兩種材質(zhì)的泵殼體進(jìn)行不同載荷情況下的有限元分析,同樣也等到了不同的應(yīng)變結(jié)果,具體結(jié)果如下文所述。

圖18為鋁制1060合金材料泵殼體在施加載荷為2000N(低壓)時所產(chǎn)生的最大應(yīng)變數(shù)值和最小應(yīng)變數(shù)值與相應(yīng)的產(chǎn)生的位置,圖19為灰鑄鐵材料的泵殼體在施加載荷為5000N(低壓)時所產(chǎn)生的最大應(yīng)變數(shù)值與最小應(yīng)變數(shù)值和相應(yīng)的產(chǎn)生的位置。圖20和圖21分別為低壓情況下的1060合金泵殼體應(yīng)變側(cè)視圖和灰鑄鐵泵殼體應(yīng)變側(cè)視圖。

圖 22 1060合金泵殼體中壓應(yīng)變圖Fig.22 1060 medium pressure strain diagram of alloy pump housing

圖 23 灰鑄鐵泵殼體中壓應(yīng)變圖Fig.23 Medium pressure strain diagram of grey cast iron pump housing

圖22為1060合金材料泵殼體在施加載荷為8000N(中壓)時所產(chǎn)生的最大應(yīng)變數(shù)值和最小應(yīng)變數(shù)值與相應(yīng)的產(chǎn)生的位置,圖23為灰鑄鐵材料泵殼體在施加載荷為10000N(中壓)時所產(chǎn)生的最大應(yīng)變數(shù)值和最小應(yīng)變數(shù)值與相應(yīng)的產(chǎn)生的位置。圖24和圖25分別為中壓情況下的1060合金泵殼體應(yīng)變側(cè)視圖和灰鑄鐵泵殼體應(yīng)變側(cè)視圖。

圖26為鋁制1060合金材料泵殼體在施加載荷為13000N(高壓)時產(chǎn)生的最大應(yīng)變數(shù)值和最小應(yīng)變數(shù)值與相應(yīng)的產(chǎn)生位置,圖27為灰鑄鐵材料泵殼體在施加載荷為30000N(高壓)時產(chǎn)生的最大應(yīng)變數(shù)值和最小應(yīng)變數(shù)值與相應(yīng)的產(chǎn)生的位置。圖28和圖29分別為高壓情況下的1060合金泵殼體應(yīng)變側(cè)視圖和灰鑄鐵泵殼體應(yīng)變側(cè)視圖。

圖 25 灰鑄鐵泵殼體中壓應(yīng)變側(cè)視圖Fig.25 Medium pressure strain side view of grey cast iron pump housing

圖 24 1060合金泵殼體中壓應(yīng)變側(cè)視圖Fig.24 1060 medium pressure strain side view of alloy pump housing

通過對不同材質(zhì)的泵殼體,在施加不同大小的載荷情況下的有限元分析,其應(yīng)變變化也是不一樣的。

圖26 1060合金泵殼體高壓應(yīng)變圖Fig.26 1060 high pressure strain diagram of alloy pump housing

圖27 灰鑄鐵泵殼體高壓應(yīng)變圖Fig.27 High pressure strain diagram of grey cast iron pump housing

當(dāng)給予鋁制1060合金泵殼體施加載荷為2000N時(低壓),其產(chǎn)生的最大應(yīng)變?yōu)?.042124×10-4mm,位置在與載荷垂直方向下的另一塊底部支撐的支撐板上,產(chǎn)生的最小應(yīng)變?yōu)?.911230×10-8mm,其位置在泵輸出孔的另一側(cè)的棱邊圓角處,當(dāng)給予灰鑄鐵材料泵殼體施加載荷為5000N(低壓)時,其產(chǎn)生的最大應(yīng)變?yōu)?.147498×10-4mm,位置在與載荷垂直方向下的另一塊底部支撐的支撐板上,產(chǎn)生的最小應(yīng)變?yōu)?.968570×10-8mm,位置在泵輸出孔的另一側(cè)的棱邊圓角處;當(dāng)給予鋁制1060合金泵殼體施加載荷為8000N(中壓)時,其產(chǎn)生的最大應(yīng)變?yōu)?.168810×10-4mm,位置在與載荷垂直方向下的另一塊底部支撐的支撐板上,產(chǎn)生的最小應(yīng)變?yōu)?.980082×10-7mm,位置在輸出連接器與輸出孔連接處的圓角處,當(dāng)給予灰鑄鐵材料泵殼體施加載荷為10000N(中壓)時,其產(chǎn)生的最大應(yīng)力為1.029500×10-3mm,位置在與載荷垂直方向下的另一塊底部支撐的支撐板上,產(chǎn)生的最小應(yīng)變?yōu)?.193714×10-7mm,位置在泵輸出孔的另一側(cè)的棱邊圓角處;當(dāng)給予鋁制1060合金泵殼體施加載荷為13000N(高壓)時,其產(chǎn)生的最大應(yīng)變?yōu)?.327381×10-3mm,位置在與載荷垂直方向下的另一塊底部支撐的支撐板上,產(chǎn)生的最小應(yīng)變?yōu)?.892701×10-7mm,位置在泵輸出孔的另一側(cè)的棱邊圓角處,當(dāng)給予灰鑄鐵材料泵殼體施加載荷為30000N(高壓)時,其產(chǎn)生的最大應(yīng)力為3.476798×10-3mm,位置在與載荷垂直方向下的另一塊底部支撐的支撐板上,產(chǎn)生的最小應(yīng)變?yōu)?.957988×10-7mm,泵輸出孔的另一側(cè)的棱邊圓角處。

圖 28 1060合金泵殼體高壓應(yīng)變側(cè)視圖Fig.28 1060 side view of high pressure strain of alloy pump housing

圖 30 1060合金泵殼體低壓位移圖Fig.30 1060 low pressure displacement diagram of alloy pump housing

根據(jù)以上圖片與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),可以得知,對不同種材料的泵殼體施加不同的載荷時,也會產(chǎn)生不同的應(yīng)變大小,但不管是何種材料的泵殼體,其產(chǎn)生的最大應(yīng)變位置都是在與載荷垂直方向下的另一塊底部支撐的支撐板上,最大應(yīng)變數(shù)值與最小應(yīng)變數(shù)值因載荷大增大而增大,因載荷變小而數(shù)值也會變小。

圖 29 灰鑄鐵泵殼體高壓應(yīng)變側(cè)視圖Fig.29 Side view of high pressure strain of grey cast iron pump housing

圖 32 1060合金泵殼體低壓位移側(cè)視圖Fig.32 1060 side view of low pressure displacement of alloy pump housing

(3)最大位移與最小位移分析

不管泵殼體為何種材料,當(dāng)為泵殼體施加不同大小的載荷時,泵殼體的相應(yīng)位置也會產(chǎn)生相應(yīng)的位移變化,以下是鋁制1060合金和灰鑄鐵兩種材料的泵殼體在不同載荷下進(jìn)行有限元分析形成的位移變化圖。

圖 31 灰鑄鐵泵殼體低壓位移圖Fig.31 Low-pressure displacement diagram of grey cast iron pump housing

圖 34 1060合金泵殼體中壓位移圖Fig.34 1060 medium pressure displacement diagram of alloy pump housing

圖30為鋁制1060合金材料泵殼體在施加載荷為2000N(低壓)時經(jīng)過有限元分析所產(chǎn)生的與最大最小位移值及產(chǎn)生的位置,圖31為灰鑄鐵材料泵殼體在施加載荷為5000N(低壓)時,經(jīng)過有限元分析所產(chǎn)生的與最大最小位移值及產(chǎn)生的位置。圖32和圖33分別為低壓情況下的1060合金泵殼體位移側(cè)視圖和灰鑄鐵泵殼體位移側(cè)視圖。

圖34鋁制1060合金材料泵殼體在施加載荷為8000N(中壓)時經(jīng)過有限元分析所產(chǎn)生的與最大最小位移值及產(chǎn)生的位置,圖35為灰鑄鐵材料泵殼體在施加載荷為10000N(中壓)時,經(jīng)過有限元分析所產(chǎn)生的與最大最小位移值及產(chǎn)生的位置。圖36和圖37分別為中壓情況下的1060合金泵殼體位移側(cè)視圖和灰鑄鐵泵殼體位移側(cè)視圖。

圖 33 灰鑄鐵泵殼體低壓位移側(cè)視Fig.33 Side view of low pressure displacementof grey cast iron pump housing

圖 36 1060合金泵殼體中壓位移側(cè)視圖Fig.36 1060 side view of medium pressure displacement of alloy pump housing

圖38 鋁制1060合金材料泵殼體在施加載荷為13000N(高壓)時經(jīng)過有限元分析所產(chǎn)生的與最大最小位移值及產(chǎn)生的位置,圖39為灰鑄鐵材料泵殼體在施加載荷為30000N(高壓)時,經(jīng)過有限元分析所產(chǎn)生的與最大最小位移值及產(chǎn)生的位置。圖40和圖41分別為高壓情況下的1060合金泵殼體位移側(cè)視圖和灰鑄鐵泵殼體位移側(cè)視圖。

根據(jù)對不同材料的泵殼體,在不同載荷施加情況下,產(chǎn)生的位移量也是不一樣,以下是不同材料泵殼體在不同載荷施加的情況下所產(chǎn)生的極限位移數(shù)值與相應(yīng)地方。

圖35 灰鑄鐵泵殼體中壓位移圖Fig.35 Medium pressure displacement diagram of grey cast iron pump housing

圖 38 1060合金泵殼體高壓位移圖Fig.38 1060 high pressure displacement diagram of alloy pump housing

當(dāng)選擇的材料為鋁制1060合金時,為其施加載荷為2000N(低壓)時,所產(chǎn)生的最大位移量為3.475264×10-1mm,所產(chǎn)生的最小位移量為0mm,當(dāng)選擇的材料為灰鑄鐵時,為其施加載荷為5000N(低壓)時,所產(chǎn)生的最大位移量為9.293918×10-1mm,所產(chǎn)生的最小位移量為0mm;當(dāng)選擇材料為鋁制1060合金,為其施加載荷為8000N(中壓)時,所產(chǎn)生的最大位移量為1.387329mm,最小位移量為0mm,為材料選取為灰鑄鐵的泵殼體施加載荷為10000N(中壓)時,所產(chǎn)生的最大位移量為1.858747mm,最小位移量為0mm;當(dāng)選擇的材料為鋁制1060合金時,為其施加載荷為13000N(高壓)時,所產(chǎn)生的最大位移量為2.273264mm,所產(chǎn)生的最小位移量為0mm,當(dāng)選擇的材料為灰鑄鐵時,為其施加載荷為30000N(高壓)時,所產(chǎn)生的最大位移量為5.565461mm,所產(chǎn)生的最小位移量為0mm。因此研究發(fā)現(xiàn)自吸泵殼體最大位移量的位置都是在泵輸出連接器表面受力處,最小位移量的位置都是在支撐部件底部且都為0mm,與自吸泵殼體的材質(zhì)和所受的載荷大小無關(guān)。從圖3-33、3-37、3-41、3-34、3-38可以得知,在同一種材料情況下,泵殼體產(chǎn)生的最大位移量隨著載荷的增大而變大,并且從受力表面到泵底部,其產(chǎn)生的位移量隨著減小。

圖 37 灰鑄鐵泵殼體中壓位移側(cè)視圖Fig.37 Side view of mid-pressure displacement of grey cast iron pump housing

圖 39 灰鑄鐵泵殼體高壓位移圖Fig.39 High pressure displacement diagram of grey cast iron pump housing

圖 40 1060合金泵殼體高壓位移側(cè)視圖Fig.40 1060 side view of high pressure displacement of alloy pump housing

圖 41 灰鑄鐵泵殼體高壓位移側(cè)視圖Fig.41 High pressure displacement side view of grey cast iron pump housing

3 結(jié)論

本文利用Simulation軟件對自吸泵殼體進(jìn)行有限元分析,獲得其相關(guān)數(shù)據(jù),從而提高自吸泵的整體使用性能。通過研究初步發(fā)現(xiàn)自吸泵殼體所受力的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和最大位移的位置與自吸泵殼體的材質(zhì)和所受載荷大小無關(guān)。其產(chǎn)生的最大應(yīng)力位置都在與施加載荷方向垂直向下的泵殼體支撐部的筋上,其產(chǎn)生的最大應(yīng)變位置都是在與載荷垂直方向下的另一塊底部支撐的支撐板上,其最大的位移量的位置都是在泵輸出連接器表面受力處,其數(shù)值都隨載荷的增大而增大,而產(chǎn)生的最小應(yīng)力值和最小應(yīng)變值與產(chǎn)生的位置因選擇的材料與施加的載荷不同而不同,最小位移量的位置都是在支撐部件底部且都為0mm。在實際應(yīng)用時可以有選擇地對自吸泵殼體相應(yīng)部位進(jìn)行加固。

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焊接(2016年2期)2016-02-27 13:01:22
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