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基于SolidWorks的鼓风机叶轮有限元分析

许 敏 薛惠芳/南京工业大学    
摘要:本文采用SolidWorks软件对某鼓风机叶轮建立三维模型,并利用SimulationXpress模块直接对叶轮零件进行有限元分析,求出了在工作转速下叶轮的应力、变形情况,以及考虑刚化效应对叶轮模态振型的影响,求得叶轮的各阶固有频率和振型,并计算出各阶的临界转速。
关键词:鼓风机叶轮;建模;有限元分析
中图分类号:TH123+.4 文献标识码:B
Finite Element Analysis of Blower Impeller Based on SolidWorks
Abstract: The SolidWorks software is adopted in this paper to establish 3D model of blower impeller and the SimulationXpress module is applied to carry out the finite element analysis directly for impeller parts. The situation of stress and deformation of impeller at the condition of working speed is obtained. And the natural frequency and vibration mode of every stage of impeller is also obtained considering the influence of stiffing effect on impeller modal shape and the critical speed of every stage is calculated.
Key words: blower impeller; modeling; finite element analysis
0 引言
  目前,许多高速鼓风机在运转中,叶轮叶片都出现了不同程度的结构破坏,影响了风机的正常运行。有限元等数值分析理论和方法已经应用于风机结构设计中,通过准确的计算模型和叶片结构动力分析方法,进行结构的优化设计与性能的改进。
1 叶轮的强度计算
  离心鼓风机的叶轮主要由叶片、前盘、后(中)盘和盘轴等零件组成。其中,除轴盘用铸铁或铸钢制成外,其它件一般都是钢板制成。叶片有平板、圆弧和中空机翼型等形状;前盘有平的、圆锥的和圆弧等形状;后(中)盘则是平的圆盘。
  在叶轮的各组成零件中,叶片是最为主要的承受载荷的部分,叶片的结构和强度对风机的可靠性起重要作用,所以对叶片进行强度计算是十分必要的。在计算叶片强度时,首先采用传统的设计理论和刚性传动方法进行计算,然后再利用有限元法进行验证分析。
  由材料力学理论可知,如果叶片与前后(中)盘的连接为铆钉结构,则假定叶片为一简支梁;如为焊接结构,则假定叶片为一固定梁。叶片因本身质量产生的离心力,则假定为均布在梁上的载荷。
1.1 平板叶片的强度计算[1]
  平板叶片在强度计算时,把整个叶片看作承受均布载荷的梁。当叶轮以角速度ω旋转时,单个叶片因本身质量产生的离心力F(N)。

  式中,ρ为叶片材料的密度,kg/m3;钢的密度ρ=7.85×103kg/m3ω为叶轮角速度,rad/s;b为叶片长度,m;l为叶片平均宽度,m;b为叶片厚度,m;R为叶轮中心至叶片重心的半径,m;C为补助计算系数,C=ρω2;钢的补助计算系数C=86.08n2n为叶轮转数,r/min。

   如图1,叶片重心近似假定在叶片工作面的O点上,将F分解成沿叶片法向力F1和切向力F2

  叶片在F1F2力的作用下,在相应的方向产生弯曲。由F2产生的弯曲应力,因叶片的抗弯截面模量较大,实际上,可以忽略不计。面只计算有F1产生的弯曲应力。

 

1.2 圆弧窄叶片的强度计算

   对于圆弧窄叶片的强度计算,这种叶片的特点是叶片的径向尺寸大于轴向尺寸。计算叶片最大弯曲应力的方法是假设在叶片上沿轴向截取一长度为l,宽度b为一单位长度的一个小窄条(取b=1mm),将这个小窄条看作是承受均布载荷的梁,叶片重心近似假定在叶片工作面的O点上。由此,这个小窄条就相当于一个平板叶片。因而其最大弯曲应力可根据叶片与前、后盘的连接是铆钉结构还是焊接结构,按简支梁或固定梁采用式(4)或式(6)计算。

   由式(4)和式(6)可知,最大弯曲应力σmaxl2e成正比例,而l2e值随截取小窄条的位置不同而改变。由此,在强度计算时,应视具体情况选定小窄条的位置,使计算的弯曲应力为最大。或取几个不同位置进行验算,而取其较大者(一般情况下,叶轮进口处叶片受弯曲应力最大)。

   以某离心鼓风机的叶轮为研究对象,叶片为圆弧窄叶片,叶片与前后盘的连接为焊接结构,叶轮中心至小窄条的最大垂直距离e=0.12m,叶片厚度δ=0.0045m,叶片宽度l=0.184m,叶轮直径为816mm,前后盘的厚度分别为4.5mm和6mm,叶轮的最大转速为n=1850r/min。

   在叶片进口处取一小窄条,叶片的最大弯曲应力,按式(6)计算。

  然后再利用有限元分析方法计算出叶片的最大弯曲应力,与理论值进行验证。

2 鼓风机叶轮有限元分析

2.1 叶轮模型建立

   在鼓风机中将叶轮作为研究对象,并对模型进行简化,在建模过程中忽略掉叶轮的工艺孔和倒角,并采用装配体对叶片、前盘以及后盘分别建模。鼓风机叶轮的承受载荷主要是由叶轮高速旋转时的离心力产生的,不考虑流场以及轴孔过盈配合中预应力的影响。

   建模过程中最关键的是对叶片的模型处理,首先对叶轮前盘和后盘进行建模,然后通过拉伸特征来确定叶片的最终尺寸。图2和图3为鼓风机整体三维模型和一级叶轮的三维模型。

 

2.2 叶轮静力分析

   与其它有限元分析软件一样,在SolidWorks中进行有限元分析,其过程同样包括材料属性的定义、定义约束条件、载荷的加载以及网格的划分,最后进行分析计算。

2.2.1 计算参数

   对第一节中叶轮进行有限元分析,叶轮材料为Q345,[σ]=230MPa,杨氏模量E=206GPa;泊松比μ=0.3;密度ρ=7800kg/m3

2.2.2 约束及载荷条件

   约束条件:在叶轮轴孔处,分别对周向和轴向施加固定约束。 

   计算荷载:不考虑风压和轴孔间的预应力,只考虑叶轮旋转产生的惯性载荷离心力。

   网格划分:对于有限元分析来说,网格划分是其中最关键的一个步骤,网格划分的好坏直接影响到计算机求解的精度和速度,在对叶轮进行有限元划分时,叶轮的厚度为4.5 mm,所以划分单元的时候,最长单元的边长控制在4.5 mm左右,网格划分后的有限元计算模型见图4。

 

2.2.3 计算结果分析

   由图5和图6可知,叶轮的最大位移出现在叶片上,最大的位移量为0.3247mm,位于叶片的中部。叶轮的最大应力出现在前盘与叶片的根部焊接处,最大应力值为113MPa,小于材料的容许应力230MPa。其有限元分析结果和理论结果最大位移和应力的情况一致,且叶轮在转速为1850r/min的情况下没有出现局部屈服的情况,满足设计要求。

 

2.3 叶轮频率分析

   鼓风机属于旋转机械,其动力特性也很重要,叶轮在高速运转的情况下,很容易产生高、低循环疲劳损伤及振动破坏,为了避免这种振动故障的出现,有必要对叶轮进行固有频率和模态振型分析。一般情况下,在一阶临界转速下振动最为激烈,所以通常主要注意一阶临界转速[3-4] 。其中,临界转速为n=60f,式中f为频率,因此,本文用有限元法主要求出前5阶叶轮的固有频率和振型。

   由于在模态分析中载荷是被忽略的,但对于旋转机械来说,由于旋转使叶轮的刚性增加,故预应力结构模态分析是结构设计中需要考虑的一个因素[5-6] 。因此,利用SimulationXpress模块中频率分析来求得叶轮前5阶的振型及相应的频率,并且计算在有惯性载荷离心力的情况下,叶片的固有频率和振型。

 

  表1列出了不考虑刚化效应(n=0)和叶轮在工作转速(n=1850r/min)下考虑刚化效应的前5阶固有频率。由表可知, 叶轮在工作状态下,工作转速均大大低于1阶临界转速,叶轮工作转速不至于引起共振,因此不会遭到破坏,研究叶轮的动力特性时,必须要考虑动力刚化对其固有频率的影响。图7为叶轮工作转速下前5阶模态振型图。

   由图7可知,叶轮的1、2阶振型表现为摆动,3阶振型表现为扭转,4阶振型表现为三轴弯曲,5阶振型表现为弯曲。由此,在设计鼓风机叶轮的时候,应该充分考虑到叶轮在电机高速驱动下的振动问题,优化系统的结构设计。

 

3 结论

   通过利用三维建模软件SolidWorks及内嵌的有限元分析模块SimulationXpress,成功地对叶轮进行了三维实体建模和有限元分析。简化了叶轮设计过程,大大缩短了开发周期,提高了生产效率及设计的可靠性。通过对以上两个方面的计算和分析,确定了叶轮在工作转速状态下,其叶轮叶片的强度满足要求,并且工作转速远低于临界转速,叶轮满足结构动力学设计要求。

参  考  文  献

[1] 续魁昌.风机手册[M].北京,机械工业出版社,1995.

[2] 陈超祥,叶修锌.SolidWorks Simulation基础教程[M].北京,机械工业出版社,2010.

[3] 钟佩思,孙雪颜,苏超.基于ANSYS的鼓风机轴模态分析与仿真[J].煤矿机械,2007,10:57-58.

[4] 冯飞,陈仁文.基于ANSYS的某发动机叶片的振动模态分析[J].仪器仪表用户,2005,84-86.

[5] 李德源,叶枝全,包能胜,陈严.风力机旋转风轮振动模态分析[J].太阳能学报,2004,1:72-77.

[6] 梁权伟,王正伟,方源.考虑流固耦合的混流式水轮机转轮模态分析[J].水力发电学报,2004,6:116-120.

 

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  评论人:不锈钢网   打分:0 分  发表时间:2015-8-9 19:27:24
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  评论人:防虫网   打分:0 分  发表时间:2015-6-16 19:28:34
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  评论人:肉牛   打分:0 分  发表时间:2015-6-4 9:42:53
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