基于流固耦合的除雜風(fēng)機(jī)應(yīng)力應(yīng)變及模態(tài)研究

鐘家勤，李尚平，麻芳蘭，何永玲，潘宇晨，孫 騰，李 政

(1.欽州學(xué)院 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院， 廣西 欽州 535000；2.廣西民族大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，南寧 530006；3.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

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基于流固耦合的除雜風(fēng)機(jī)應(yīng)力應(yīng)變及模態(tài)研究

鐘家勤1，李尚平2，麻芳蘭3，何永玲1，潘宇晨1，孫 騰1，李 政3

(1.欽州學(xué)院 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院， 廣西 欽州 535000；2.廣西民族大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，南寧 530006；3.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

葉輪是除雜風(fēng)機(jī)的重要部件之一，葉輪在運(yùn)行中的應(yīng)力應(yīng)變對(duì)除雜風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行有著重要的影響，而葉輪振動(dòng)是風(fēng)機(jī)的常見故障，所以流固耦合條件下的除雜風(fēng)機(jī)葉輪變形及振動(dòng)分析對(duì)甘蔗收獲機(jī)除雜風(fēng)機(jī)的安全有著重要的意義。為此，采用有限元分析軟件Ansys Workbench對(duì)除雜風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行了單向流固耦合計(jì)算分析，結(jié)果表明：葉輪在流固耦合作用下會(huì)發(fā)生彎曲扭振變形，最大應(yīng)力分布在葉片與輪轂的交界處，最大應(yīng)變分布在葉片外緣處；所設(shè)計(jì)的葉輪最大應(yīng)力為21.48MPa，小于材料極限應(yīng)力，而工作轉(zhuǎn)速也遠(yuǎn)離振動(dòng)轉(zhuǎn)速，均滿足工作要求。該研究為甘蔗收獲機(jī)的除雜風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)提供了參考。

甘蔗收獲機(jī)；除雜風(fēng)機(jī)；流固耦合；應(yīng)力應(yīng)變；模態(tài)分析

0 引言

廣西甘蔗種植面積大，已占到我國糖料總面積的65%左右[1-2]，如果還是依靠人工收獲清除雜質(zhì)，就會(huì)消耗大量的人力、時(shí)間與生產(chǎn)成本，這是糖廠所不能接受的。研制出合理、有效的除雜裝置，解決甘蔗收獲雜質(zhì)多的問題，對(duì)于實(shí)現(xiàn)甘蔗收獲全程機(jī)械化、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本具有實(shí)際意義。

甘蔗收獲機(jī)的除雜主要使用軸流式風(fēng)機(jī)進(jìn)行[3-5]。除雜裝置位于整機(jī)的后方，具有單獨(dú)的物流通道，氣體在軸向方向上被旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)葉片壓縮排出，雜質(zhì)被氣流吸入通道排出。文獻(xiàn)[5-7]指出，使用這種除雜裝置的甘蔗收獲機(jī)收獲的甘蔗夾雜物依然較多。針對(duì)此問題，文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種新型風(fēng)機(jī)，并且對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以排雜風(fēng)機(jī)出風(fēng)口速度為指標(biāo)，找到了風(fēng)機(jī)的最佳性能參數(shù)。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種切段式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)，該機(jī)排雜裝置比較有效地解決了甘蔗除雜問題。這些研究從一定程度上為甘蔗收獲機(jī)的除雜裝置機(jī)械設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

甘蔗收獲機(jī)除雜裝置中，葉輪是除雜風(fēng)機(jī)的重要部件之一。為此，采用有限元分析軟件對(duì)除雜風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行單向流固耦合分析，得到了除雜風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律，并對(duì)葉輪在流固耦合作用下的應(yīng)力、應(yīng)變及振動(dòng)模態(tài)特性進(jìn)行分析，為甘蔗收獲機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

基于以上問題，設(shè)計(jì)了一種側(cè)面鼓風(fēng)式除雜風(fēng)機(jī)，如圖1所示。

1.切梢器 2.扶分蔗輥 3.壓蔗輥 4.輔助喂入輥 5.切割器 6.夾持輸送裝置 7.除雜風(fēng)機(jī) 8.輸出裝置 9.剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)圖1 收割機(jī)簡圖Fig.1 Structure of the sugarcane harvester

除雜風(fēng)機(jī)安裝在整稈式甘蔗收獲機(jī)物流通道的后方。收獲機(jī)工作時(shí)，甘蔗由扶分蔗輥扶起，切梢器切割甘蔗末梢，經(jīng)過壓蔗輥把甘蔗壓倒一定角度，切割器在輔助喂入輥的幫助下，切割甘蔗；夾持輸送裝置將切割好的甘蔗送入剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)，進(jìn)行蔗桿與蔗葉的分離工作，由輸出裝置把甘蔗送出；除雜風(fēng)機(jī)通過側(cè)面吹風(fēng)，將甘蔗與雜質(zhì)分離干凈。側(cè)面鼓風(fēng)式除雜風(fēng)機(jī)相對(duì)于目前的抽風(fēng)式除雜方式來說，具有克服阻力小、功耗小的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決甘蔗與雜質(zhì)分離不徹底的問題。

2 除雜風(fēng)機(jī)數(shù)值計(jì)算

2.1 除雜風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[10],本文的研究對(duì)象是甘蔗收獲機(jī)的除雜風(fēng)機(jī)，其設(shè)計(jì)參數(shù)為：流量Q=15 012m3/h，全壓P=280Pa，轉(zhuǎn)速n=1 450r/min，葉輪直徑為0.63m，葉片數(shù)為3片。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，葉片的葉型是決定除雜風(fēng)機(jī)性能的關(guān)鍵，因而選用CLARK-y葉型。

設(shè)計(jì)的除雜風(fēng)機(jī)葉輪材料為Q235，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 葉輪材料物理性能參數(shù)

2.2 型的建立

根據(jù)上節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)利用三維軟件SolidWorks建立除雜風(fēng)機(jī)的三維模型，如圖2所示。

圖2 三維模型Fig.2 Dimensional Model

2.3 內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

葉輪周圍的流體是影響整個(gè)流場(chǎng)的重要因素，同時(shí)除雜風(fēng)機(jī)在實(shí)際工作時(shí)還有入口和出口，因此除雜風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)計(jì)算域?yàn)槿肟趨^(qū)域、葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域及出口區(qū)域。采用Meshing對(duì)葉輪與流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于葉片形狀復(fù)雜，為了提高計(jì)算精度，采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。劃分的節(jié)點(diǎn)數(shù)為207 949，劃分的網(wǎng)格數(shù)量為133 789，如圖3(a)所示。除雜風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流道較為復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)流域由葉輪表面及旋轉(zhuǎn)流域組成，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分；入口區(qū)域與出口區(qū)域形狀較規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，得到節(jié)點(diǎn)數(shù)目為319 262，網(wǎng)格數(shù)目為1 756 930，如圖3(b)所示。

采用流體計(jì)算軟件CFX對(duì)除雜風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用速度進(jìn)口邊界條件，湍流強(qiáng)度為5%，速度為10.7m/s；出口采用壓力出口邊界條件；在入口區(qū)域、旋轉(zhuǎn)區(qū)域及出口區(qū)域三者之間交界面，采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子法處理，均采用動(dòng)靜交界面；出入口區(qū)域壁面采用固壁條件，葉輪、旋轉(zhuǎn)區(qū)域壁面采用轉(zhuǎn)動(dòng)條件，壁面速度滿足無滑移條件[12]。除雜風(fēng)機(jī)的流體運(yùn)動(dòng)屬于低速運(yùn)動(dòng)，可以忽略流體的可壓縮性，選擇air at 25℃材料模型。采用RNG k-ε模型，流體控制方程包括動(dòng)量方程、連續(xù)方程以及k方程和ε方程。RNG k-ε模型為

Gk+Gb-ρε-Ym+SK

(1)

(2)

其中，k、ε分別為湍動(dòng)能和湍流耗散率；Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Ym為可壓縮湍流種，過度擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；C1、C2、C3為常量；?k和?e是K方程和e方程的湍流Prandle數(shù)；Sk和Se由用戶定義。

求解方法采用SINMPLE算法，求解控制采用分離式求解器，差分格式選擇高階格式，收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為1×10-4，迭代次數(shù)為1 000次。

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing results

2.4 單向耦合過程

除雜風(fēng)機(jī)葉輪的固體結(jié)構(gòu)變形小，對(duì)流體的影響可以忽略不計(jì)，只將CFD分析計(jì)算結(jié)果傳遞給固體結(jié)構(gòu)分析，而沒有固體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果傳遞給流體分析過程。因此，采用單向耦合方法可以很好地分析流體分析對(duì)固體分析的影響。在前面的除雜風(fēng)機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬中，已得出了流體對(duì)葉輪表面的壓力大小以及分布情況。采用ANSYS Workbench中的多物理場(chǎng)耦合功能，建立流場(chǎng)和靜力場(chǎng)的耦合系統(tǒng)，并通過數(shù)據(jù)傳輸將流場(chǎng)壓力傳輸?shù)饺~輪表面。在靜力場(chǎng)中，只需要將相應(yīng)表面的流場(chǎng)壓力加載到實(shí)體模型相應(yīng)表面，將葉輪的輪轂表面及葉片的正面與背面的壓力傳輸?shù)饺~輪表面。整個(gè)耦合計(jì)算在ANSYS Workbench中的Static Strural模塊下進(jìn)行。整體有限元方程為

Mδ+Cδ+Kδ=Qc+P+R-Fδ

(3)

其中，M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；C為結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣；Qc為結(jié)構(gòu)在初始狀態(tài)下的離心力載荷向量；P為結(jié)構(gòu)表面上的等效節(jié)點(diǎn)載荷向量；R為節(jié)點(diǎn)集中力向；Fδ為結(jié)構(gòu)除應(yīng)力引起的等效節(jié)點(diǎn)載荷向量。

2.5 模態(tài)分析

葉輪是除雜風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，在振動(dòng)作用下容易發(fā)生破損或者斷裂，因此對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)分析有著重要的意義。

模態(tài)分析主要用來分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)屬性，葉輪的固有頻率和模態(tài)振型是其固有特性，與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度的分布有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]對(duì)葉輪進(jìn)行模態(tài)分析，得到固有頻率以及振型。

3 結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)部流場(chǎng)分析

在數(shù)值計(jì)算結(jié)束后，使用CFD-Post后處理器，得到除雜風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，為后續(xù)的應(yīng)力應(yīng)變及模態(tài)分析提供數(shù)據(jù)。圖4和圖5分別是除雜風(fēng)機(jī)吸力面和壓力面的靜壓分布。

圖4 吸力面靜壓分布Fig.4 Suction surface static pressure distribution

圖5 壓力面靜壓分布Fig.5 Pressure surface static pressure distribution

綜合分析可以得出：在葉尖邊緣部分出現(xiàn)一段壓力集中區(qū)，葉根部分的線速度較小、氣流較弱，靠近葉根部分壓力較??；葉輪壓力面靠近出口處的輪緣出現(xiàn)一個(gè)明顯的低壓區(qū)，是實(shí)際工作中葉片最容易發(fā)生氣動(dòng)分離的位置，與工程實(shí)際情況相吻合；除雜風(fēng)機(jī)葉輪吸力面壓力大于相應(yīng)位置的壓力面的壓力。

3.2 應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果分析

除雜風(fēng)機(jī)中的流體作用于葉輪，即為氣動(dòng)載荷，同時(shí)加載自身重力以及離心力，得到除雜風(fēng)機(jī)的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖6、圖7所示。

由圖6可以得出：最大的應(yīng)力為21.48MPa，并沒有超過材料的極限應(yīng)力，可知重力、離心力及氣動(dòng)載荷共同作用力對(duì)除雜風(fēng)機(jī)的葉輪影響比較小。從整個(gè)應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D中可以看出：最大應(yīng)力分布在葉片與輪轂的交界處，最大應(yīng)變分布在葉片外緣處；共同力作用下的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D都呈現(xiàn)中心對(duì)稱狀態(tài)。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)前面的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果分析可知，流固耦合對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定的影響。由于葉輪結(jié)構(gòu)模態(tài)受到預(yù)應(yīng)力的影響，因此有必要分析基于流固耦合的葉輪結(jié)構(gòu)模態(tài)的變化情況，得到的葉輪模態(tài)前5階振型結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)圖8的振型圖及計(jì)算結(jié)果，最終得到的模態(tài)分析結(jié)果如表2所示。

圖6 應(yīng)力云圖Fig.6 Stress cloud

圖7 應(yīng)變?cè)茍DFig.7 Strain cloud

圖8 葉輪前5階振型Fig.8 Five front wheel vibration mode表2 除雜風(fēng)機(jī)模態(tài)分析結(jié)果Table 2 Impurity removal fan modal analysis results

階數(shù)頻率/Hz臨界轉(zhuǎn)速/r·min-1振型描繪1465.1427908.4彎曲擺動(dòng)2465.8727952.2彎曲擺動(dòng)3466.3427980.4彎曲扭轉(zhuǎn)41063.863828彎曲扭轉(zhuǎn)51064.963894彎曲扭轉(zhuǎn)

綜合分析可以得出：將自身重力、離心力及氣動(dòng)載荷加載作用后，除雜風(fēng)機(jī)各階模態(tài)頻率有了一定的提高；由于離心力及葉片受到氣動(dòng)載荷作用，使得風(fēng)機(jī)葉輪剛度提高，從而影響其固有頻率。葉輪各階模態(tài)的臨界轉(zhuǎn)速為n=60f，得到各階模態(tài)的臨界轉(zhuǎn)速如表2所示。通常情況下，1階臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)最為激烈，葉輪1階臨界轉(zhuǎn)速為27 908.4 r/min，而工作轉(zhuǎn)速為1 450r/min，遠(yuǎn)比1階臨界轉(zhuǎn)速的低，因此不會(huì)產(chǎn)生共振，所設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)能夠滿足工作要求。

4 結(jié)論

通過SolidWorks三維軟件設(shè)計(jì)的三維模型，利用有限元分析軟件Ansys Workbech對(duì)除雜風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行單向流固耦合分析。通過Ansys CFX進(jìn)行流場(chǎng)分析，得到除雜風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律，同時(shí)結(jié)合Static Strutural及Modal模塊，得到葉輪在氣固耦合作用下的應(yīng)力分布、變形及振動(dòng)模態(tài)等特性。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的甘蔗收獲機(jī)除雜風(fēng)機(jī)滿足要求，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了一定的參考依據(jù)。

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Stress-strain and Model Analysis on Impurity Removal Fan Based on Fluid-structure Interaction

Zhong Jiaqin1,Li Shangping2, Ma Fanglan3, He Yongling1, Pan Yuchen1, Sun Teng1, Li Zheng3

(1.College of Mechanical and Marine Engineering, Qinzhou University, Qinzhou 535000, China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China; 3.College of Mechanical Engineering, Nanning 530004, China)

The impeller is one of the important components of impurity removal fan. The stress-strain of the impeller has a significant impact on safe operation and the impeller vibration is common malfunctions. So the analysis of stress-strain and vibration of the impeller under fluid-structure interaction is of great significance for the security of impurity removal fan. Fluid-structure interaction computation analysis was carried out on the impurity removal fan using the finite element analysis software of Ansys Workbench. The results show that impeller deformation will occur on torsion direction under fluid-structure interaction. The maximum stress distribution in the blade and the hub of the junction, the maximum strain distribution at the outer edge of the blade, the impeller is designed for maximum stress 21.48MPa, less than the material limit stress, but also away from the operating speed vibration speed, meet the job requirements. The research results are useful for the impurity removal fan of sugarcane harvest design.

sugarcane harvester; impurity removal fan; fluid-structure interaction; stress-strain; model analysis

2016-05-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465004)

鐘家勤(1989-)，女，廣西欽州人，碩士,(E-mail)zhongjiaqin2013@163.com 。

S 225.5+3

A

1003-188X(2017)06-0018-05