基于計(jì)算機(jī)輔助工程的風(fēng)機(jī)流固耦合分析

□ 金玉龍

上海艾羽信息科技有限公司 上海 201703

1 分析背景

計(jì)算機(jī)輔助工程將工程的各環(huán)節(jié)有機(jī)組織起來(lái),對(duì)有關(guān)信息進(jìn)行集成,存在于工程的整個(gè)生命周期中。計(jì)算機(jī)輔助工程系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)集成人員、技術(shù)、經(jīng)營(yíng)管理、信息流、物流,并且可以?xún)?yōu)化運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)。在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈且多樣化的市場(chǎng)環(huán)境中,企業(yè)需要在最短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證產(chǎn)品性能,將最好的產(chǎn)品以最快的速度投放至市場(chǎng)中。企業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)部門(mén)所使用的傳統(tǒng)工程分析方法一般是利用點(diǎn)分析工具,近似模擬產(chǎn)品在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為。但是在通常情況下,產(chǎn)品的性能總是受多種物理環(huán)境的同時(shí)影響,用戶使用單一分析工具往往不能準(zhǔn)確充分模擬產(chǎn)品的真實(shí)性能。為了解決這一問(wèn)題,進(jìn)一步提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力,使企業(yè)更好地適應(yīng)市場(chǎng)需求,可以使用計(jì)算機(jī)輔助工程。計(jì)算機(jī)輔助工程能夠巧妙地解決多學(xué)科分析技術(shù),大大縮短仿真分析與實(shí)際工作環(huán)境之間的差距,確保準(zhǔn)確模擬真實(shí)世界。多學(xué)科仿真技術(shù)是很多企業(yè)級(jí)解決方案的核心和基礎(chǔ),企業(yè)仿真方案使用詳細(xì)的數(shù)字產(chǎn)品模型模擬并驗(yàn)證產(chǎn)品各方面性能,制訂和跟蹤嚴(yán)格的設(shè)計(jì)目標(biāo),溝通協(xié)調(diào)產(chǎn)品開(kāi)發(fā),進(jìn)而使產(chǎn)品的創(chuàng)新和質(zhì)量提高到一個(gè)更具競(jìng)爭(zhēng)力的水平。

計(jì)算機(jī)輔助工程在研發(fā)流程中的作用如圖1所示。目前,國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)主要以經(jīng)驗(yàn)和逆向設(shè)計(jì)為主,仿真并沒(méi)有在整個(gè)研發(fā)周期中起重要作用。國(guó)外對(duì)計(jì)算機(jī)輔助工程則較為重視,計(jì)算機(jī)輔助工程在設(shè)計(jì)初期就已經(jīng)起關(guān)鍵作用。利用計(jì)算機(jī)輔助工程仿真來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)模型,可以減少試驗(yàn)物理樣機(jī)的試制,縮短研發(fā)周期,大大降低研發(fā)成本。

目前,我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展并不完善,風(fēng)機(jī)整機(jī)制造受關(guān)鍵零部件瓶頸制約較為嚴(yán)重。風(fēng)機(jī)主要零部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,并且可以批量供應(yīng),但兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的核心配件仍然存在較大缺口。另一方面,鋼鐵、銅線、碳纖維等原材料價(jià)格的上漲也使風(fēng)機(jī)成本降低趨緩,對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行仿真分析可以起到事半功倍的效果。筆者基于計(jì)算機(jī)輔助工程對(duì)一款新開(kāi)發(fā)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行流固耦合分析。

2 分析流程

計(jì)算機(jī)輔助工程軟件平臺(tái)在仿真時(shí)支持多學(xué)科之間的交互作用和耦合效應(yīng),無(wú)論是線性、非線性,還是運(yùn)動(dòng)學(xué)、顯式動(dòng)力學(xué),多種學(xué)科能夠一起工作,進(jìn)而準(zhǔn)確、適時(shí)在多學(xué)科之間提供正確的工程和力學(xué)反饋。對(duì)于單學(xué)科專(zhuān)家而言,仍然需要通過(guò)離散分析步驟來(lái)手工模擬多學(xué)科之間的復(fù)雜交互作用,這樣勢(shì)必會(huì)造成信息傳輸丟失,降低模擬精度。工程師有時(shí)還需要手工傳遞計(jì)算信息,或者將運(yùn)動(dòng)信息作為靜態(tài)信息施加至系統(tǒng)中,這一過(guò)程可重復(fù)性差,人為錯(cuò)誤也難以避免。多學(xué)科仿真在同一數(shù)據(jù)平臺(tái)下模擬多種物理場(chǎng)之間的相互作用,允許多學(xué)科在求解器內(nèi)核上的集成仿真,而不僅僅是簡(jiǎn)單的相互之間的連接。多學(xué)科仿真已超越傳統(tǒng)多物理場(chǎng)系統(tǒng),可以對(duì)多學(xué)科進(jìn)行深層次鏈接或集成。

筆者采用ANSYS仿真軟件對(duì)風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行分析,流體部分采用全六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,結(jié)構(gòu)部分采用殼和體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

建模時(shí),將建立的風(fēng)機(jī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入ANSYS軟件SpaceClaim模塊進(jìn)行模型修復(fù)。對(duì)修復(fù)的模型進(jìn)行前處理,完成結(jié)構(gòu)部分中面幾何拓?fù)湫迯?fù)和流體部分全六面體網(wǎng)格劃分,對(duì)流體邊界命名,并對(duì)流固耦合面命名。在ANSYS Workbench平臺(tái)中分別建立Fluent分析和Mechanical分析項(xiàng)目,并將Fluent分析項(xiàng)目壓力結(jié)果作為Mechanical分析項(xiàng)目載荷輸入條件,即將Fluent分析項(xiàng)目計(jì)算的壓力通過(guò)流固耦合面?zhèn)鬟f給Mechanical分析項(xiàng)目。設(shè)置固體部分材料類(lèi)型、厚度、網(wǎng)格,并固定約束,然后進(jìn)行求解和后處理。

3 建模

將風(fēng)機(jī)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入ANSYS軟件SpaceClaim模塊,基于機(jī)構(gòu)工作原理與分析類(lèi)別進(jìn)行模型簡(jiǎn)化,去除一些不必要的小特征,如小倒角、小圓孔等。葉片網(wǎng)格模型如圖2所示,采用局部四面體加六面體網(wǎng)格劃分,尺寸為3～5 mm,材料為聚丙烯加50%玻璃纖維。上下輪轂網(wǎng)格模型如圖3所示,采用四面體網(wǎng)格劃分,尺寸為3～4 mm,材料為尼龍6加50%玻璃纖維。調(diào)節(jié)塊網(wǎng)格模型如圖4所示,采用四面體網(wǎng)格劃分,尺寸為3～4 mm,材料為尼龍6加50%玻璃纖維。馬達(dá)卡套網(wǎng)格模型如圖5所示,采用六面體加棱柱體網(wǎng)格劃分,材料為鋁合金。風(fēng)機(jī)罩網(wǎng)格模型如圖6所示,采用殼網(wǎng)格劃分,尺寸為20 mm,材料為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。馬達(dá)支架網(wǎng)格模型如圖7所示,采用殼網(wǎng)格劃分,尺寸為20 mm,材料為鋁合金。

材料物理屬性見(jiàn)表1。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速為700 r/min,即11.6 rad/s,電機(jī)的質(zhì)量為23 kg。葉片的總質(zhì)量為4 kg。風(fēng)量在入口流速為12.542 8 m/s,最大轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)入口壓力分為22 Pa和0 Pa兩種工況進(jìn)行分析。由Fluent分析項(xiàng)目計(jì)算耦合在葉片、風(fēng)機(jī)罩、風(fēng)機(jī)支撐桿上的作用力,內(nèi)壁受到的壓力為37～40 Pa。

表1 材料物理屬性

流體域網(wǎng)格模型如圖8所示,風(fēng)機(jī)入口和出口段各加長(zhǎng)1 m直段,確保流體計(jì)算收斂。

流體域模型內(nèi)部設(shè)置為多參考坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)域,如圖9所示。

4 流體計(jì)算

對(duì)最大轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)入口壓力為22 Pa和0 Pa兩種工況下的流體進(jìn)行計(jì)算。風(fēng)機(jī)切面流速云圖如圖10所示,風(fēng)機(jī)切面壓力云圖如圖11所示,風(fēng)道出口流速如圖12所示,葉片表面壓力云圖如圖13所示。

由上述計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),入口壓力為22 Pa時(shí)葉片所受壓力比入口壓力為0 Pa時(shí)大。這是因?yàn)樵谌肟趬毫?2 Pa工況下,葉片可能處于失速,入口壓力大于出口壓力,葉片對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的提升沒(méi)有起到作用。后續(xù)采用入口壓力22 Pa工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。

5 強(qiáng)度計(jì)算

將流體計(jì)算結(jié)果耦合在固體域表面,如圖14所示。強(qiáng)度計(jì)算時(shí)主要涉及風(fēng)機(jī)罩、葉片、風(fēng)機(jī)支撐桿。

風(fēng)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖15所示,位移云圖如圖16所示。應(yīng)力主要集中于葉片根部和電機(jī)支撐桿連接位置,最大應(yīng)力約為3.9 MPa。位移主要產(chǎn)生于葉片根部和馬達(dá)支架連接馬達(dá)的位置,最大位移約為0.5 mm。由強(qiáng)度計(jì)算可知,風(fēng)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本滿足要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法表明,產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本雖然只占產(chǎn)品總成本的5%,但是卻能對(duì)產(chǎn)品總成本的70%產(chǎn)生影響。潛在的問(wèn)題越早得到解決,設(shè)計(jì)成本降低與研發(fā)周期縮短的效果越明顯。由此,應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助工程應(yīng)當(dāng)提前至概念設(shè)計(jì)階段。當(dāng)然,對(duì)成千上萬(wàn)的零部件都進(jìn)行剛度、強(qiáng)度校驗(yàn),人力不允許。對(duì)此,設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)對(duì)自身設(shè)計(jì)的零部件進(jìn)行分析校核,已成為企業(yè)的發(fā)展方向。但是目前的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件對(duì)設(shè)計(jì)人員而言門(mén)檻較高,建議為設(shè)計(jì)人員量身定制計(jì)算機(jī)輔助工程分析工具。

計(jì)算機(jī)輔助工程在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中有重要的作用,筆者基于計(jì)算機(jī)輔助工程對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行流固耦合分析,可以為設(shè)計(jì)人員提供參考。計(jì)算機(jī)輔助工程已應(yīng)用于各行各業(yè),利用計(jì)算機(jī)輔助工程仿真來(lái)代替試驗(yàn)物理樣機(jī)試制,可以縮短研發(fā)周期,降低研發(fā)成本,進(jìn)而給企業(yè)研發(fā)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。