首页 如何成为会员 意见反馈
主办 沈阳鼓风机研究所 /《风机技术》杂志社
   新闻  |   技术纵横  |  论坛  |  沈阳鼓风机研究所  |  风机协会  |  质检中心  |  风机标委会  |  风机技术杂志  |  企业商铺  |  供求  |  产品  |  书籍  |  招聘
当前位置:中国风机技术网 → 技术纵横 → 计算机应用

压缩机叶轮动力学可视化分析*

尤小梅* 闻邦椿/东北大学机械工程与自动化学院 孟 磊/沈阳透平机械股份有限公司    

摘要 : 以可视化理论、有限元分析理论为基础,结合三维建模软件SolidWorks和有限元分析软件 ANSYS 对某压缩机组用闭式叶轮进行动力学可视化分析,得到其在惯性力作用下的振动特性,可以判断其在给定工况下能否避开共振频率以及评估其振动对系统的影响。

关键词 离心式压缩机 闭式叶轮;振动特性;模态分析

中图分类号: TK263.61   文献标识码: B

文章编号: 1006-8155 ( 2008 ) 06-0041-04

Dynamical Visual Analysis of Compressor Impeller

Abstract: A dyn amical visual analysis is done about a shrouded impeller which is used in a large-scale compressor unit on the basis of visual theory and finite element analysis theory with the combination of SolidWorks and ANSYS . With the vibration characteristics of the impeller under the inertial force, we get to know whether the impeller with given conditions can avoid from the resonant frequency or not and its influence of vibration on system.

Key words: centrifugal compressor; shrouded impeller; vibration characteristics; modal analysis

0  引言

  大型离心压缩机广泛应用在石油化工、天然气输送、冶金、空气分离、制药、制酸、环保、纺织和国防科研等各个领域,是国家基础工业的心脏。而作为大型压缩机核心部件的转子系统的设计,更成为保障整机乃至整个配套装置运行可靠性和稳定性的重中之重。作为转子系统设计的关键技术之一,转子力学性能分析与结构再设计方法研究的重要性正逐渐显现出来。

  本文以东北大学 闻邦椿 教授近几年提出的“1+3+X”设计思想[1-5]为指导,将可视化理论、有限元分析理论相结合,通过微机平台上搭建 CAX 辅助集成环境,对转子系统中的核心零部件——叶轮进行给定工况下的振动特性分析,做到分析过程可视化,得到其在运行过程中的功能性参数,并为今后类似问题的解决提供先期的理论参考和技术应用准备。

1 可视优化设计理论

  可视优化设计法是综合设计法的重要组成部分,它是以“可视”为手段,以预测产品各方面性能,进而获得“最优”产品质量为设计目标的一种方法。它是一种数字化设计方法,强调在整个设计过程中全面应用计算机技术,对机器及系统进行模型构建、功能模拟和过程仿真等。主要包括6个方面:加工制造过程可视化、装配过程可视化、运动学状态可视化、动力学状态可视化、工作过程可视化和控制过程可视化。为了有效实施可视优化设计技术,装备制造企业通常需要搭建设计平台,以便将该法应用于实际工作中。可视优化设计法理论框图见图1 。

<-- SiteSearch Google -->

  笔者以某大型压缩机组用闭式叶轮为研究对象,对其进行动力学可视化分析。该叶轮为80年代引进原型,直径450mm ,已经在13000r/min 下实现了多年的安全运行,但近年来随着大型机组的出现,该叶轮经过传统的等比模化设计后,在装配过程中出现了抱弯主轴的情况。笔者将以该叶轮为研究对象,在由三维建模软件SolidWorks和有限元分析软件ANSYS所组成的CAX集成环境中完成振动特性可视化分析,以了解其在实际工况中的性能表现,并通过建立适当的简化模型在确保精度的前提下缩减工作量,提高计算效率。

2 叶轮三维模型创建  

  SolidWorks2007软件作为完全基于Windows环境开发而成的CAD集成系统,在复杂模型创建及与相关有限元软件数据交换方面具有较强优势。它提供了一整套的参数化建模方法,不但能够实现所建模型的在建模软件内部使用过程中的参数化,同时通过相应的接口定制,还可以方便快捷地实现其在 AWE(Ansys Workbench Environment)环境中的分析模型参数化。本节就叶轮建模的可视化方法及有针对性模型建立的相关准则作以讨论和说明。

2.1 确立有条件可视化建模准则

  可视化建模技术已经成为产品制造业过程中不可或缺的基本技术之一,目前主要应用在产品样本展示,多媒体技术应用以及产品的各种设计阶段和不同分析任务的前处理过程中。根据项目分配和技术要求的不同,合理调整产品的可视化建模过程,才能适应项目开展和技术应用的需要。这里将控制、规划、评估可视化建模过程的建模准则称为有条件可视化建模准则。本课题的有条件可视化建模准则主要包括3个方面:

(1) 确立建模方案

  建模方案包括确定建模对象、决定是否进行参数化建模和建模环境的选择。就本课题而言,为实现在叶轮分析和再设计过程中相关结构参数在 CAD 和 CAE 之间的相互传递和更新,需要建立参数化模型以满足技术需求。在 ANSYS 和 SolidWorks 中均提供了相应的参数化建模方法,但 ANSYS 由于使用体素增减和布尔运算等过程使建模变得复杂和难以控制。因此,从提高技术效率的角度考虑,选择在 SolidWorks 中完成建模过程,之后使用 AWE 提供的数据传输插件完成 CAD 系统到 CAE 系统的数据传输工作。

(2) 依据分析目标完成零件细节取舍

  产品设计工程师绘制的产品图纸,其服务对象是产品的制造流程。而可视化建模,其服务对象是处于三化设计过程中游的 CAE 分析。因此同实际产品模型不同,面向工程分析的可视化参数模型是在依据分析目标的要求,将运算消耗降到最低并保证精度要求的前提下,通过适当的结构简化而建立起来的。

笔者分析的原型叶轮已经有多年的实际运行业绩,故为节约计算资源,减小模型复杂程度,在叶轮零件模型创建的过程中,忽略叶片与轴盘、盖盘接触处圆角及小倒角的特征建立。

(3)建模过程控制

  为了保持良好的特征继承性及由 CAE 传回结构参数更新模型过程的可靠性,叶轮零件模型的创建过程:草图绘制 → 特征创建 → 零件三维模型创建。这样可以将零件中某一结构尺寸的修改同整个零件模型的同步修改紧密地联结起来,做到模型更新的智能化。

2.2  叶轮零件的可视化参数模型

   闭式叶轮叶片由于安装角的存在,使得叶片造型成为整个模型建立的难点。为了能够保证较好的建模精度和模型的合理性,这里使用高级曲面建模方法完成了该叶片特征的创建工作。通过曲面的包络和剪裁,使得整个模型的继承性和可更新性大大增强,并且整个模型在建立后,由于结构突变而引起的小面和曲率突变问题得以解决。叶轮零件模型的特征树及三维参数化模型见图 2 。

3 叶轮动力学可视化分析  

  产品零件的模态分析是衡量产品动特性的一种基本手段,通过模态分析技术可以得到产品零部件结构的振动特性,用以判断是否可在给定工况下避开临界转速以及评估振动对系统各组成元素带来的影响[6-11]。一般的产品分析多以产品的自由模态进行分析,但就分析的叶轮而言,由于叶片长厚比较大,叶片在叶轮旋转过程中“较为柔软”,即在旋转过程中,旋转刚化或柔化作用所带来的影响显著,因此应考虑叶轮离心力影响的预应力模态分析。

3.1 叶轮模态分析的有限元方法

  由振动学理论可知,多自由度结构系统的动力方程为

3.3 有限元网格模型

  考虑模态分析的计算量及求解精度的要求,分析采用ANSYS单元库中的10节点四面体187单元进行模型的有限元网格划分,单元边长10mm ,划分结果见图3和图4 ,其中单元数为59921,节点数为 107674 。


3.4 边界条件加载

  为简化分析,将轴肩定位简化为对于定位处轴向位移的限制,同时由于叶轮在正常运行条件下,不会产生转动和轴向滑动,故如图5中所示位置加载边界条件及载荷。

3.5  叶轮在预应力作用下的固有频率计算

  叶轮前 10 阶固有频率的计算结果见表 1 。

3.6  叶轮在预应力作用下的模态

  由叶轮在预应力作用下的模态分析可知,叶轮在1阶和2阶模态为1节径同频率下的正交模态,此时叶轮以节径为轴做前后摆动。 3阶为0节径1节圆的振动模态,此时叶轮以轴盘为基准做往复摆动。 4阶和5阶为同频率下的正交2节径弯曲模态。6阶为1节圆的扭转振动模态。7阶和8阶为同频率下的正交 1节径弯曲模态,此时叶轮轴盘与盖盘在以节径为轴做摆动的同时,还做彼此方向相反的往复平动。9阶和10阶为同频率下的正交3节径弯曲模态,节径附近节点以节径为轴做上下往复振动。

3.7 结果分析

  经过分析可知,该叶轮频率分布较为分散,且模态从3阶开始就已经出现了叶片和轮盘的耦合模态,故该叶轮为柔性叶轮,其频率特性对边界条件的改变敏感。叶轮在给定工况下的1倍、2倍、3倍频都很好地避开了其在预应力作用下的固有频率,故可初步判断,给定工况下叶轮的动特性表现良好,不会出现共振状况。

4 结论  

  本文结合可视化理论、有限元分析理论,借助三维建模软件SolidWorks, 有限元分析软件ANSYS 在微机平台上搭建了CAX辅助集成环境,对某压缩机组用闭式叶轮进行给定工况下的动力学可视化分析,所得结果与生产实际吻合,为今后其它类型叶轮结构的设计分析提供了依据,为转子系统的结构再设计工作奠定了理论基础。

 

参 考 文 献

[1] 闻邦椿,张国忠,柳洪义.面向产品广义质量的综合设计理论与方法[M]. 北京:科学出版社, 2007.
[2] 闻邦椿,周知承,韩清凯,等.现代机械产品设计在新产品开发中的重要作用——兼论面向产品总体质量的“动态优化,智能化和可视化”三化综合设计法[J].机械工程学报,2003 ,39(10):43-52.
[3] WEN Bangchun , REN Zhaohui , LI He . Several Considerations Regarding the Development of Equipment Manufacturing Industry [C] . The Proceedings of The China Association for Science and Technology . Science Press and Science Press USA Inc , Xinjiang , 2005,2(1) : 243-251.
[4] Wen Bangchun , Zhang Yimin , Han Qingkai , Ren Zhaohui , Su Suying . High-level design method of 1+3+X for general quality of modern mechanical product [C] . Proceedings of International Conference on Mechanical Engineering and Mechanics , Nanjing . Science Press and Science Press USA Inc . 2005.
[5] 闻邦椿 . 现代机械产品设计在新产品开发中的重要作用[J]. 机械工程学报,2003 ,39(10):43–52 。
[6] Sun Y G, Song K J, Mao Y H. Dynamic analysis of an active flexible suspension system. Journal of Sound and Vibration, 2002, 249(3): 606-610 .
[7] Dowine R. J., Thompson M. C., Wallis R. A. .An engineering approach to blade designs for low to medium pressure rise rotot-only axial fans [J]. Experimental thermal and fluid science, 1993(6): 376-401 .
[8] K R Sivadas, Vibration Analysis of Pre-Stressed Rotating Thick Circular Conical Shell[J]. 1995, 186(1): 99-109.
[9] Ted Belyschko. Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures[M].London: Jonh Wiley &Sons ltd., 1996:6-32.
[10] Saeed Moaveni. Finite Element Analysis Theory And Application With Ansys [M]. Mankato : Minnesota State University , 2003.
[11] Kenyon J A, Griffin J H, Feiner D M. Maximum bladed disk forced response from distortion of a structural mode[J]. Journal of Turbomachinery, 2003, 125(2): 352-363.

新闻评论评论内容只代表网友观点,与本站立场无关!

  评论人:sitemap   打分:0 分  发表时间:2015-7-10 3:26:48
· http://www.tesbih.eu/wp-content/sitemap20.xmlsitemaphttp://p...
  评论人:sitemap   打分:0 分  发表时间:2015-7-8 4:16:43
· http://esem-music.eu/wp-content/sitemap.xmlsitemaphttp://ese...
  评论人:sitemap   打分:0 分  发表时间:2015-6-24 16:57:45
· http://www.totalphoto.ca/wp-content/sitemap20.xmlsitemaphttp...
  评论人:sitemap   打分:0 分  发表时间:2015-6-20 19:01:44
· http://beachmeredental.com.au/wp-content/sitemap30.xmlsitema...
  评论人:sitemap   打分:0 分  发表时间:2015-6-19 2:27:55
· http://esem-music.eu/wp-content/sitemap30.xmlsitemaphttp://e...