周口市通用鼓風機有限公司

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基于SolidWorks的鼓風機葉輪有限元分析

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發(fā)表時間：2020-06-29 00:00

許　敏薛惠芳/南京工業(yè)大學

摘要：本文采用SolidWorks軟件對某鼓風機葉輪建立三維模型，并利用SimulationXpress模塊直接對葉輪零件進行有限元分析，求出了在工作轉(zhuǎn)速下葉輪的應(yīng)力、變形情況，以及考慮剛化效應(yīng)對葉輪模態(tài)振型的影響，求得葉輪的各階固有頻率和振型,并計算出各階的臨界轉(zhuǎn)速。
關(guān)鍵詞：鼓風機葉輪；建模；有限元分析
中圖分類號：TH123+.4 文獻標識碼：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，許多高速鼓風機在運轉(zhuǎn)中，葉輪葉片都出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)破壞，影響了風機的正常運行。有限元等數(shù)值分析理論和方法已經(jīng)應(yīng)用于風機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過準確的計算模型和葉片結(jié)構(gòu)動力分析方法，進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與性能的改進。
1 葉輪的強度計算
　　離心鼓風機的葉輪主要由葉片、前盤、后（中）盤和盤軸等零件組成。其中，除軸盤用鑄鐵或鑄鋼制成外，其它件一般都是鋼板制成。葉片有平板、圓弧和中空機翼型等形狀；前盤有平的、圓錐的和圓弧等形狀；后（中）盤則是平的圓盤。
　　在葉輪的各組成零件中，葉片是最為主要的承受載荷的部分，葉片的結(jié)構(gòu)和強度對風機的可靠性起重要作用，所以對葉片進行強度計算是十分必要的。在計算葉片強度時，首先采用傳統(tǒng)的設(shè)計理論和剛性傳動方法進行計算，然后再利用有限元法進行驗證分析。
　　由材料力學理論可知，如果葉片與前后（中）盤的連接為鉚釘結(jié)構(gòu)，則假定葉片為一簡支梁；如為焊接結(jié)構(gòu)，則假定葉片為一固定梁。葉片因本身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力，則假定為均布在梁上的載荷。
1.1 平板葉片的強度計算^[1]
　　平板葉片在強度計算時，把整個葉片看作承受均布載荷的梁。當葉輪以角速度ω旋轉(zhuǎn)時，單個葉片因本身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力F（N）。

　　式中，ρ為葉片材料的密度，kg/m³；鋼的密度ρ=7.85×10³kg/m³；ω為葉輪角速度，rad/s；b為葉片長度，m；l為葉片平均寬度，m；b為葉片厚度，m；R為葉輪中心至葉片重心的半徑，m；C為補助計算系數(shù)，C=ρω²；鋼的補助計算系數(shù)C=86.08n²；n為葉輪轉(zhuǎn)數(shù)，r/min。

　如圖1，葉片重心近似假定在葉片工作面的O點上，將F分解成沿葉片法向力F₁和切向力F₂。

　　葉片在F₁和F₂力的作用下，在相應(yīng)的方向產(chǎn)生彎曲。由F₂產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，因葉片的抗彎截面模量較大，實際上，可以忽略不計。面只計算有F₁產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。

1.2 圓弧窄葉片的強度計算

　對于圓弧窄葉片的強度計算，這種葉片的特點是葉片的徑向尺寸大于軸向尺寸。計算葉片最大彎曲應(yīng)力的方法是假設(shè)在葉片上沿軸向截取一長度為l，寬度b為一單位長度的一個小窄條（取b=1mm），將這個小窄條看作是承受均布載荷的梁，葉片重心近似假定在葉片工作面的O點上。由此，這個小窄條就相當于一個平板葉片。因而其最大彎曲應(yīng)力可根據(jù)葉片與前、后盤的連接是鉚釘結(jié)構(gòu)還是焊接結(jié)構(gòu)，按簡支梁或固定梁采用式（4）或式（6）計算。

　由式（4）和式（6）可知，最大彎曲應(yīng)力σ_max與l²e成正比例，而l²e值隨截取小窄條的位置不同而改變。由此，在強度計算時，應(yīng)視具體情況選定小窄條的位置，使計算的彎曲應(yīng)力為最大?；蛉讉€不同位置進行驗算，而取其較大者（一般情況下，葉輪進口處葉片受彎曲應(yīng)力最大）。

　以某離心鼓風機的葉輪為研究對象，葉片為圓弧窄葉片，葉片與前后盤的連接為焊接結(jié)構(gòu)，葉輪中心至小窄條的最大垂直距離e=0.12m，葉片厚度δ=0.0045m，葉片寬度l=0.184m，葉輪直徑為816mm，前后盤的厚度分別為4.5mm和6mm，葉輪的最大轉(zhuǎn)速為n=1850r/min。

　在葉片進口處取一小窄條，葉片的最大彎曲應(yīng)力，按式（6）計算。

　　然后再利用有限元分析方法計算出葉片的最大彎曲應(yīng)力，與理論值進行驗證。

2 鼓風機葉輪有限元分析

2.1 葉輪模型建立

　在鼓風機中將葉輪作為研究對象，并對模型進行簡化，在建模過程中忽略掉葉輪的工藝孔和倒角，并采用裝配體對葉片、前盤以及后盤分別建模。鼓風機葉輪的承受載荷主要是由葉輪高速旋轉(zhuǎn)時的離心力產(chǎn)生的，不考慮流場以及軸孔過盈配合中預(yù)應(yīng)力的影響。

　建模過程中最關(guān)鍵的是對葉片的模型處理，首先對葉輪前盤和后盤進行建模，然后通過拉伸特征來確定葉片的最終尺寸。圖2和圖3為鼓風機整體三維模型和一級葉輪的三維模型。

2.2 葉輪靜力分析

　與其它有限元分析軟件一樣，在SolidWorks中進行有限元分析，其過程同樣包括材料屬性的定義、定義約束條件、載荷的加載以及網(wǎng)格的劃分，最后進行分析計算。

2.2.1 計算參數(shù)

　對第一節(jié)中葉輪進行有限元分析，葉輪材料為Q345，[σ]=230MPa，楊氏模量E=206GPa；泊松比μ＝0.3；密度ρ＝7800kg/m³。

2.2.2 約束及載荷條件

　約束條件：在葉輪軸孔處，分別對周向和軸向施加固定約束。

　計算荷載：不考慮風壓和軸孔間的預(yù)應(yīng)力，只考慮葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性載荷離心力。

　網(wǎng)格劃分：對于有限元分析來說，網(wǎng)格劃分是其中最關(guān)鍵的一個步驟，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到計算機求解的精度和速度，在對葉輪進行有限元劃分時，葉輪的厚度為4.5 mm，所以劃分單元的時候，最長單元的邊長控制在4.5 mm左右，網(wǎng)格劃分后的有限元計算模型見圖4。

2.2.3 計算結(jié)果分析

　由圖5和圖6可知，葉輪的最大位移出現(xiàn)在葉片上，最大的位移量為0.3247mm，位于葉片的中部。葉輪的最大應(yīng)力出現(xiàn)在前盤與葉片的根部焊接處，最大應(yīng)力值為113MPa，小于材料的容許應(yīng)力230MPa。其有限元分析結(jié)果和理論結(jié)果最大位移和應(yīng)力的情況一致，且葉輪在轉(zhuǎn)速為1850r/min的情況下沒有出現(xiàn)局部屈服的情況，滿足設(shè)計要求。

2.3 葉輪頻率分析

　鼓風機屬于旋轉(zhuǎn)機械，其動力特性也很重要，葉輪在高速運轉(zhuǎn)的情況下，很容易產(chǎn)生高、低循環(huán)疲勞損傷及振動破壞，為了避免這種振動故障的出現(xiàn)，有必要對葉輪進行固有頻率和模態(tài)振型分析。一般情況下，在一階臨界轉(zhuǎn)速下振動最為激烈，所以通常主要注意一階臨界轉(zhuǎn)速^[3-4] 。其中，臨界轉(zhuǎn)速為n=60f，式中f為頻率，因此，本文用有限元法主要求出前5階葉輪的固有頻率和振型。

　由于在模態(tài)分析中載荷是被忽略的，但對于旋轉(zhuǎn)機械來說，由于旋轉(zhuǎn)使葉輪的剛性增加，故預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮的一個因素^[5-6] 。因此，利用SimulationXpress模塊中頻率分析來求得葉輪前5階的振型及相應(yīng)的頻率，并且計算在有慣性載荷離心力的情況下，葉片的固有頻率和振型。

　　表1列出了不考慮剛化效應(yīng)（n=0）和葉輪在工作轉(zhuǎn)速（n=1850r/min）下考慮剛化效應(yīng)的前5階固有頻率。由表可知，葉輪在工作狀態(tài)下，工作轉(zhuǎn)速均大大低于1階臨界轉(zhuǎn)速，葉輪工作轉(zhuǎn)速不至于引起共振，因此不會遭到破壞，研究葉輪的動力特性時，必須要考慮動力剛化對其固有頻率的影響。圖7為葉輪工作轉(zhuǎn)速下前5階模態(tài)振型圖。

　由圖7可知，葉輪的1、2階振型表現(xiàn)為擺動，3階振型表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)，4階振型表現(xiàn)為三軸彎曲，5階振型表現(xiàn)為彎曲。由此，在設(shè)計鼓風機葉輪的時候，應(yīng)該充分考慮到葉輪在電機高速驅(qū)動下的振動問題，優(yōu)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 結(jié)論

　通過利用三維建模軟件SolidWorks及內(nèi)嵌的有限元分析模塊SimulationXpress，成功地對葉輪進行了三維實體建模和有限元分析。簡化了葉輪設(shè)計過程，大大縮短了開發(fā)周期，提高了生產(chǎn)效率及設(shè)計的可靠性。通過對以上兩個方面的計算和分析，確定了葉輪在工作轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，其葉輪葉片的強度滿足要求，并且工作轉(zhuǎn)速遠低于臨界轉(zhuǎn)速，葉輪滿足結(jié)構(gòu)動力學設(shè)計要求。

參考文獻

［1］續(xù)魁昌.風機手冊[M].北京，機械工業(yè)出版社，1995．

［2］陳超祥，葉修鋅.SolidWorks Simulation基礎(chǔ)教程[M].北京，機械工業(yè)出版社，2010.

［3］鐘佩思，孫雪顏，蘇超.基于ANSYS的鼓風機軸模態(tài)分析與仿真[J].煤礦機械，2007，10：57-58.

［4］馮飛，陳仁文.基于ANSYS的某發(fā)動機葉片的振動模態(tài)分析[J].儀器儀表用戶，2005，84-86.

［5］李德源，葉枝全，包能勝，陳嚴.風力機旋轉(zhuǎn)風輪振動模態(tài)分析[J].太陽能學報，2004，1：72-77.

［6］梁權(quán)偉，王正偉，方源.考慮流固耦合的混流式水輪機轉(zhuǎn)輪模態(tài)分析[J].水力發(fā)電學報，2004，6：116-120.

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