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1、轴流通风机叶片模态仿真及其对气动噪声的影响 伍先俊 朱石坚/海军工程大学振动与噪声研究所摘要：利用有限元模型对叶轮模态进行了计算,判断分析了各阶模态振型对气动噪声的影响程度,求解中利用了ANSYS的模态循环对称功能,同时分析了旋转软化、应力强化对叶轮真实运转状况下模态频率的影响。ModalSimulationofAxialFanBladeandTheEffectofThatonAerodynamicNoiseAbstract:Calculationiscarriedoutonimpellermodalusingthefiniteelementm
2、odel.Ｔheeffectofmodalvibrationinvariousstageonaerodynamicnoiseisjudgedandanalyzed,theeffectofrotatingsoftnessandstressintensificationonthemodalfrequencyundertheimpellerinrealoperationconditionisalsoanalyzedatthesametime.一、引言 轴流通风机当其叶片较薄以及过度前掠,重心偏离叶根截面中心时,较高转速造成的离心力和不稳定进气流造成
3、的叶片升力的变化,很容易激发叶片振动。同时由于流固耦合,还可能造成叶片的驰振,使叶片提前疲劳损坏,降低风机效率,并产生较大的气动噪声。 在叶轮设计时有必要对其振动模态进行计算,但叶片叶身曲面复杂,用经典理论无法求解,因此必须借用有限元模型来计算。ANSYS是当今比较有名的有限元分析软件之一,具有多种物理场的求解功能,可以很方便地进行模态分析;大型CAD系统软件UniGraphics具有丰富的曲面造型功能,非常适合于叶轮等具有复杂曲面实体的造型,建好的实体模型导入ANSYS即可进行模态分析。二、叶轮CAD模型建立和接口导入1.叶轮基本参数 轴
4、流通风机为整体注塑ABS塑料叶轮,叶片数为4,叶片较宽,叶片呈前掠状。工作转速为860r/min,轮毂直径为0.147m,叶轮外径为0.42m。2.几何模型建立 通过三坐标测量仪测量得到叶片表面型值点,将点阵连接成曲面,并利用软件UG的曲面剪裁和缝合功能,将叶片的曲面连接起来。一旦所有曲面被缝合就自动生成以各曲面为边界的实体。 叶轮为循环对称结构,为加快有限元分析过程,利用ANSYS的循环对称分析功能,对一个90°基本扇区进行求解。建模时使全局坐标系的Z轴与叶轮旋转轴线对应,建立完整叶轮模型,然后用过轮毂轴线两个相互夹角为90°的两个平面切
5、出1/4的叶轮模型(图1)。3.导入几何模型 能够将UG模型导入ANSYS的方法有3种,其中基于直接的模型数据交换的两种是:一是通过标准的数据接口将CAD模型数据转入分析系统;另外是通过ANSYS为UG提供的专用接口直接读入UG的prt文件;第三种借助UG的GFEMFEA。 这里采取第二种方法,在功能菜单中点击File→Import→UG,再选取零件文件即可。三、预处理和求解1.输入材料物理参数 输入ABS材料的物理性能参数:密度为1.2×10-6g/mm3,弹性模量为2.3MPa,泊松比为0.38。2.选择单元类型 叶轮表面为变厚度复
6、杂曲面,选用10节点的四面体单元solid92,该单元采用二次位移模式,非常适合对形状不规则的实体划分有限元模型。为了对基本扇区的两个间隔相对90°的轮毂的剖面划分网格,还选择了一种二维单元:MESH200单元,并设定单元形状参数为“triangle with6nodes”(MESH200单元是专门用来划分网格,提供网格占位功能,不参加单元运算)。3.划分网格 先用MESH200三角形平面单元划分轮毂上的两个剖面的一个面上的网格,然后通过MSHCOPY命令将该面上的网格拷贝到另外一个剖面上(完成后的网格单元如图2)。对整个模型用solid92
7、单元分网格(完成后的网格单元如图3)。4.边界条件加载 叶轮通过轮毂的轴心线装配在电机轴线上,叶轮除转动外,其它运动都被限制。所以使轮毂圆柱装配面的有限元节点X,Z方向的自由度得到约束(在全局柱面坐标系中)。有限单元的节点都有一个坐标系与载荷方向对应,在通常情况下节点坐标系与全局迪卡尔坐标系对应,必须首先用NROTAT命令转换节点坐标到柱面坐标系中,然后再在节点上加载位移约束。5.循环对称处理 循环对称模态求解是ANSYS对循环对称结构提供的一种特殊简化模态求解方法,在求解前有一些特殊的预处理。 首先,需要选择叶轮上下两个剖面上的节点并建
8、立两个组集,取名为“Low”和“High”。其次运行CYCGEN的宏在基本扇区上建立第二个扇区,模态分析就是通过这两个扇区完成的,如果不带参数运行这个
