离心叶轮的应力数值分析与结构优化

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1、8FLUIDMACHINERYVol.32，No.11，2004文章编号：1005—032（92004）11—0008—03="======"=设计计算="======"=离心叶轮的应力数值分析与结构优化雒婧，席光，郭常青（西安交通大学，陕西西安710049）摘要：利用ANSYS软件平台进行离心叶轮应力分析，分别对叶轮进行整体以及无叶片轮盘的分体建模，计算叶轮在转动中叶轮应力分布和叶轮形状的对应关系。通过改变叶轮的结构参数有效降低了叶轮的最大应力，为叶轮的结构设计提供了重要工程参考。关键词：离心叶轮；应力分析；结构优化中图分类号：TH453文献标

2、识码：ANumericalAnalysisofStressandStructureOptimizationforCentrifugalImpellerLUOJing，XIGuang，GUOChang-qing（Xi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049，China）Abstract：ThestressofcentrifugalimpellerswasanalyzedbyANSYS.Thecentrifugalimpelleriscalculatedusingdifferentmodelingmethods，whicht

3、aketheimpellerasathree-dimensionalobjectorasahubwithoutbladesrespectively.Therelationbetweenstressoftheimpellerandstructureofithasbeendiscussed.Thelargeststressoftheimpellerhasbeenreducedthroughimprovingitsstructure，whichisveryusefultoactualengineeringdesign.Keywords：centrifu

4、galimpeller；stressanalysis；structureoptimization1前言叶轮的实际情况，能够得到较准确的结果。本文应用ANSYS软件分析了叶轮内部应力分布，并对叶轮是离心压缩机中非常重要的一个部件，叶轮形状进行了优化，以降低叶轮的最大应力。承担着由机械能转化为气体能的重任，由于离心叶轮在转动中不仅承受着离心力、稳定气体力的［2］2应用ANSYS软件进行离心叶轮分析的步骤作用，而且还承受着气体非稳定力以及介质腐蚀、粉尘磨损等多种其它因素的共同作用，因此对叶（1）运行ANSYS此处应用的是ANSYS/Mul-轮强度方面的

5、要求也越来越高。对设计者来说，tiphysics，这是适用于工业和各个工程领域中的一在通过流场计算等完成气动设计后，利用有限元个强大的多用途有限元程序，它能够进行结构、热方法对叶轮强度进行校核、优化叶轮形状已成为力学、电磁学和流体动力学分析。设计过程中的重要一环。ANSYS有限元分析软（2）定义单元通常选用20节点单元solid95件现在已经广泛应用于石油化工、航空航天、机械单元和solid186单元。制造等各领域。利用ANSYS可以方便有效地进（3）定义材料属性包括材料的弹性模量、密行应力分析［1］，三维有限元模型能够很好地反映度、泊松比。收稿

6、日期：2004—02—25基金项目：国家科技部863计划能源领域重大专项微型燃气轮机研制（2002AA503020）2004年第32卷第11期流体机械9（4）建模采用的方法是：先定义关键点，然上所有Nodes的R向位移约束，另外再找一点约后用命令BSPLINE生成线，再将生成的曲线用束Z向位移即可。当然，对不同的问题，其边界条ASKIN生成曲面，然后生成叶片的模型。命令件的施加也是不同的。VGEN可以复制生成的叶片（生成叶片是将叶片伸（8）求解及进行后处理。进轮盘中）。然后生成轮盘，所有的叶片和轮盘进行ADD布尔操作生成体。3算例分析（5）网格划

7、分可选用Smartsize选取网格划分的疏密等级，也可定义elementsizesanddivisions一内缘被约束、外缘自由的等厚空心圆盘，外定义单元大小以及网格划分类型和单元形状；选径b=0.250m，内径a=0.05m，厚度h=0.02m；材取好后，进行网格划分。料的弹性模量E=2.1×1011N/m2，密度ρ=（6）定义分析类型进行应力分析时选取7800kg/m3，泊松比为0.3，以转速n=4000r/min自Static分析，而求解固有频率和振型需进行Modal由旋转。通过计算应力分布与理论解的对比来检模态分析，如有需要还可以定义此种

8、分析类型的验本文建模方法的正确性。选型，如分析选项、方程求解器的选择等。为了检验不同网格对计算结果的影响，对该（7）定义模型的边界条件定