基于ANSYS的多翼型離心風(fēng)機葉輪有限元分析

陳曉++陳小兵++龔艷

摘要：機械化高效施藥是目前對噴藥機械的基本要求，所以風(fēng)送植保機械被普遍使用。風(fēng)機是其中的關(guān)鍵部件，利用PROE和ANSYS這2種軟件對強力風(fēng)送裝備中多翼型離心風(fēng)機葉輪進行實體建模、靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。通過靜力學(xué)分析，得到葉輪在工作時的等效云圖，分析得到葉輪的最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片與前盤等的焊接處；通過模態(tài)分析，得到葉輪的前八階模態(tài)的振型云圖，驗證了葉輪工作的安全性。利用有限元分析方法，可以提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，為優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：離心風(fēng)機；葉輪；有限元分析

中圖分類號： S491文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）09-0180-04

風(fēng)送植保機械由于具有作業(yè)效率高、霧滴在靶標(biāo)物上沉積均勻、農(nóng)藥利用率高和流失少、對土壤和地下水等環(huán)境污染小等特點，在歐美發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用。噴霧技術(shù)是施藥作業(yè)的關(guān)鍵，最理想的施藥效果就是將農(nóng)藥霧滴均勻地噴灑在靶標(biāo)上，由于靶標(biāo)是立體的，霧滴很難穿透到達(dá)指定的地點，而風(fēng)送噴霧技術(shù)的應(yīng)用大大增加了霧滴穿透性，它是利用氣流的動能把藥液霧滴吹送到指定的位置，大大地改善了藥液的霧化性能，增強了霧滴穿透性，提高了霧滴在植物中的沉積，成為了改善藥液分布的主要措施[1]。

離心風(fēng)機是組成風(fēng)送植保機械噴灑系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。離心風(fēng)機工作時，葉輪通過磁電轉(zhuǎn)機子直接接在汽油機曲軸上，隨著發(fā)動機高速轉(zhuǎn)動，風(fēng)機產(chǎn)生的高速氣流分3部分流出，一部分氣流經(jīng)前半蝸的冷卻風(fēng)口流出用以冷卻發(fā)動機；少部分氣流經(jīng)蝸殼上部的擋風(fēng)板進入藥箱，在藥液表面形成正壓，藥液就在風(fēng)壓作用下經(jīng)輸液短管送到噴頭處；大部分高速氣流經(jīng)風(fēng)機出口進入噴管，在噴頭喉口處流速最大，將流出的藥液[LL]沖擊成極細(xì)的霧滴，并隨氣流噴出[2]。

離心風(fēng)機部件主要包括風(fēng)機前殼、后殼和葉輪。葉輪是離心風(fēng)機的關(guān)鍵部件之一。其中葉片和前后盤的幾何參數(shù)及形狀都對離心風(fēng)機的性能有很大影響[2]。同樣，隨著植保機械技術(shù)的提高，對風(fēng)機強度方面的要求也越來越高。通過對葉輪進行有限元分析可以提高葉輪設(shè)計的準(zhǔn)確性以及提高優(yōu)化葉輪的效率。

1葉輪的三維實體建模

葉輪是風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)部件，是風(fēng)機傳遞給氣體能量的唯一元件，離心風(fēng)機的葉輪形狀、尺寸和數(shù)量，決定了它的工作能力和性能參數(shù)。離心風(fēng)機的葉輪一般由前盤、后盤、葉片和軸盤等組成[3]。

1.1葉輪的幾何參數(shù)

本研究主要是對意大利TIFONE公司的CANNON 80S型強力風(fēng)送噴霧機上的多翼型離心風(fēng)機進行有限元分析。葉輪的幾何參數(shù)如表1所示。

1.2葉輪實體建模

葉輪的實體模型通過PROE軟件來實現(xiàn)，葉輪的輪盤和葉片是通過焊接固定在一起的，由于不考慮焊接對葉輪的影響，所以在建模時可以將二者看為一個整體。最終的實體模型如圖1所示。

完成建模后，將PROE默認(rèn)的PRT格式的文件轉(zhuǎn)化為可以導(dǎo)入到ANSYS Workbench中的IGS文件。IGS是CAD文件的一種通用格式，可以有效地避免不能成功導(dǎo)入而帶來的麻煩。

葉輪材料參數(shù)如表2所示。

2風(fēng)機葉輪的靜力分析

本研究的離心風(fēng)機應(yīng)用于大型植保機械上，它的功用是產(chǎn)生高速氣流，將藥液破碎霧化或?qū)⑺幏鄞瞪?，并將之送向遠(yuǎn)方。風(fēng)機的主要部件包括前殼、后殼和葉輪。而葉輪是風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)部件，是風(fēng)機傳遞給氣體能量的唯一元件，離心風(fēng)機的性能參數(shù)尤為重要[4]?？梢酝ㄟ^有限元分析來判斷風(fēng)機葉輪的強度。

2.1葉輪網(wǎng)格的劃分

ANSYS中網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)和數(shù)量將會影響計算結(jié)果的精度和計算規(guī)模的大小。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規(guī)模也會增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時應(yīng)權(quán)衡2個因素綜合考慮。網(wǎng)格疏密是指在結(jié)構(gòu)不同部位采用大小不同的網(wǎng)格，在計算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位（如應(yīng)力集中處），為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。而在計算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位，為減小模型規(guī)模，則應(yīng)劃分相對稀疏的網(wǎng)格。

在ANSYS Workbench中，主要有自動劃分網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格劃分、六面體網(wǎng)格劃分和掃掠法等。本研究采用自動網(wǎng)格劃分的方法，對在PROE中進行建模的三維葉輪模型進行網(wǎng)格劃分，得到的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

2.2施加工作載荷與約束

根據(jù)葉輪的實際工作狀況，葉輪隨風(fēng)機軸轉(zhuǎn)動。葉輪沒有軸向移動并且輪盤上的6個螺栓孔表面轉(zhuǎn)動時也沒有周向位移。所以對葉輪靜力分析時施加載荷的約束條件為：6個螺栓孔表面沒有軸向和周向的位移，即定義螺栓孔表面的自由度為0。

葉輪在工作中主要受到離心力和氣動力的影響，由于氣動力對葉輪產(chǎn)生的影響與離心力相比要小得多，所以在研究時只考慮離心力對葉輪的影響[2]。離心力可以通過施加角速度來定義，其角速度為210 rad/s。

2.3靜力學(xué)分析結(jié)果

經(jīng)過ANSYS的計算求解后，得到了葉輪在工作時的等效應(yīng)力圖、等效應(yīng)變云圖和總變形量云圖。圖3所示為葉輪的等效應(yīng)力圖，葉輪的應(yīng)力主要集中于葉片與前盤等的焊接處，最大值為137.37 MPa，小于材料的屈服強度355 MPa，可以認(rèn)為葉輪滿足強度要求。葉輪在總體上所呈現(xiàn)的趨勢是離旋轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，應(yīng)力越大。而葉片與輪盤焊接的中部應(yīng)力更為集中，此外在6個螺栓孔的位置周圍也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖4、圖5分別為葉輪的等效應(yīng)變云圖和總變形量云圖。從等效應(yīng)變云圖中可以看出，應(yīng)力集中的地方也是應(yīng)變較大的地方，應(yīng)變的最大值為6.148 8×10-4 mm。在總變形量云圖中，位移沿徑向方向成圓環(huán)行分布，位移最大的位置是在葉片的外側(cè)邊緣上，最大的位移為0.387 32 mm。在應(yīng)變云圖中，每個葉片的變形基本上是相同的，基本上呈現(xiàn)的是循環(huán)對稱的特點。在總變形量云圖中，可以發(fā)現(xiàn)葉輪輪盤的變形量比葉片的變形量小很多，葉片的變形出現(xiàn)了扭曲的現(xiàn)象。

通過葉輪的分布云圖可知，應(yīng)力最大處發(fā)生在葉片與輪盤的焊接處，可以改進焊接工藝來減少應(yīng)力集中，以此來提高葉輪的強度，增加風(fēng)機的壽命。

3模態(tài)分析

模態(tài)分析主要是為了確定機械鼻尖的振動特性，包括固有頻率和振型，為避免發(fā)生共振提供參考。

離心風(fēng)機在旋轉(zhuǎn)工作時，葉輪的激振源主要是離心力的激振頻率。葉輪的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，直接計算本身的固有頻率比較困難。借助ANSYS對其進行模態(tài)分析，可以得到相應(yīng)模態(tài)的振型，可以在風(fēng)機設(shè)計時為避免共振而提供參考的依據(jù)。

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，采用在靜力學(xué)分析中運用的載荷和約束，對葉輪進行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。隨著模態(tài)分析階數(shù)的不斷增大，模態(tài)分析的結(jié)果誤差將會變大[5]。所以根據(jù)需要，本研究只進行前八階的模態(tài)分析，結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，葉輪的一階和二階模態(tài)的振動頻率非常接近，應(yīng)該是振動方程的二重根。它們的振型也是相似的，如圖6、圖7所示，分別為葉輪的一階模態(tài)和二階模態(tài)振型云圖，它們在共振時存在一個相位差，即共振時振幅變化的位置不同。在這兩階模態(tài)下，葉輪的振型可以看成是由2個近似對稱的部分組成，離對稱線越遠(yuǎn)，其位移量越大。圖中的位移數(shù)值只是葉輪在固有頻率下振動時各點位移的比值，并不是實際的位移值。

圖8、圖9分別是葉輪的三階模態(tài)振型云圖和四階模態(tài)振型云圖，其徑向位移成圓環(huán)狀向外遞增，最大位移出現(xiàn)在葉輪邊緣和葉片外側(cè)邊緣。

圖10、圖11分別是葉輪的五階模態(tài)和六階模態(tài)振型云圖，它們的振動頻率相近，應(yīng)該是振動方程的兩重根。它們的振[CM（25]型也是相似的，只是在共振時存在一個相位差。輪盤的最大位移出現(xiàn)在輪盤邊緣的2個區(qū)域，這2個區(qū)域近似對稱，葉片的最大位移出現(xiàn)在其外側(cè)邊緣上。

圖12是葉輪的七階模態(tài)振型云圖，葉輪的振型可以看成是由2個近似對稱的部分組成，離對稱線越遠(yuǎn)，其位移量越大。

圖13是葉輪的八階模態(tài)振型云圖，葉輪的振型近似對稱分布，但是位移量最大的點出現(xiàn)在葉輪邊緣的一側(cè)，此時，葉輪輪盤也存在扭轉(zhuǎn)振動。

綜合前八階的振型云圖可知，最大得到相對位移都出現(xiàn)在輪盤的外側(cè)，有效地避免了葉片發(fā)生破壞。可以增加輪盤的厚度來提高輪盤的剛度。

離心風(fēng)機葉輪的干擾頻率與葉輪的轉(zhuǎn)速有關(guān)，其關(guān)系如下：

式中：n為轉(zhuǎn)速，r/min；f為干擾頻率，Hz。本研究的葉輪轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，由上述公式可得到葉輪的干擾頻率為 33.3 Hz。由前八階的模態(tài)分析可以得到葉輪工作時有效地避免了共振現(xiàn)象，保證其安全。

4結(jié)論

葉輪是風(fēng)機的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)的強度計算是將葉輪進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，采用相應(yīng)的公式進行計算，計算結(jié)果與實際情況存在較大的誤差[6]。本研究采用PROE和ANSYS對植保機械上的離心風(fēng)機進行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，為葉輪的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。運用PROE和ANSYS對產(chǎn)品進行優(yōu)化，可以減少強度和模態(tài)分析所需要的時間，降低優(yōu)化所需的成本，為優(yōu)化設(shè)計提供有效的數(shù)據(jù)。由靜力學(xué)分析和模態(tài)分析的結(jié)果可以得知該葉輪的結(jié)構(gòu)和材料滿足工作要求。葉片與輪盤焊接處的應(yīng)力比較集中，在進行優(yōu)化設(shè)計時，可以考慮增加相應(yīng)的厚度來提高結(jié)果強度；葉片外側(cè)邊緣的位移較大，在優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)考慮相應(yīng)情況進而減少其位移。

通過ANSYS軟件靜力分析可以很直觀地了解葉輪最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置，便于在設(shè)計過程中對葉輪進行改進優(yōu)化。利用ANSYS對葉輪進行模態(tài)分析可以得到葉輪各階的固有頻率和相對應(yīng)的振型，為避免風(fēng)機發(fā)生共振提供了有力的理論依據(jù)。而采用傳統(tǒng)的計算方法，所得到的最大應(yīng)力只是平均應(yīng)力，不是實際最大應(yīng)力。所以采用傳統(tǒng)的計算方法所得到的結(jié)果通常比實際的結(jié)果小。雖然通過有限元分析方法進行的輕度校核與實際也存在一定誤差，但比傳統(tǒng)計算方法所得的誤差小。在進行葉輪設(shè)計的過程中，建議采用有限元法對風(fēng)機進行強度校核，但風(fēng)機的最終優(yōu)化結(jié)果還需要經(jīng)過試驗實踐的驗證。

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