风机叶轮有限元分析

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1、万方数据第17卷增刊2004年8月振动工程学报JournalofVibrationEngineeringV01．17N0．SAug．2004风机叶轮有限元分析渭广军(上海宝钢设备检测公司上海，201900)摘要建立了某化工厂风机叶轮的有限元模型，对叶轮施加了旋转速度载荷；求取了该风机叶轮在额定转速下的变形、应力分布和最大最小应力。验证了该风机叶轮的设计是否满足额定转速下的使用要求。阐述了对高速旋转机械结构进行力学分析时，数值计算方法是一种方便且有效的手段。关键词：旋转机械；风机；有限元分析中图分类号：TBl23理论计算、应力应变测试及数值计算是现代对机

2、械设备的结构力学(包括结构静力学和动力学)行为进行分析的三大分析手段，这三种分析方法各有所长，互为补充，每个方法的进步都会促进其它两种方法的进步。理论计算的主要应用对象是形状及分布较为规则和简单的对象，如型钢梁、桁架、柱子等。考虑到应变传感器的安装和测试仪器的布置，应力应变测试方法的分析对象主要是运动速度较小的或具有一定的速度但结构和运动方式比较简单的设备(例如利用滑环对转轴的应力应变测试已经成为非常成熟的技术)。对于高速旋转的结构复杂的机械，利用理论计算和应力应变测试进行分析往往难度很大。计算机科技的进步促进了数值计算方法的广泛应用，计算机辅助工程(

3、CAE)，包括有限元法(FEM)，边界元法(BEM)，有限差分法(FDM)等已逐渐成为辅助工程师进行产品设计及分析的不可或缺的手段。其中有限元法应用最为广泛，现在已广泛应用于结构力学(包括线性与非线性)、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。另外，在不同领域的耦合分析方面有限元法也非常有效，如结构力学和热力学的耦合分析，电路学和电磁学的耦合分析等，应用都比较多。对于结构复杂的高速旋转的结构如风机叶轮、齿轮等，由于理论计算和应力测试的不易操作性，以往主要依靠长期的经验积累进行设计。现在很多科技实力雄厚的旋转机械设计及制造厂家已利用有限元对其产品

4、进行辅助设计，对很多关键的高速旋转设备，有时甚至是两人以上利用不同的有限元软件进行同时计算，并对其结果进行对比分析。本文以某收稿日期：2004—04—20化工厂风机叶轮为例，利用某有限元软件对其旋转速度载荷下的力学行为进行分析。1风机叶轮有限元模型建立及求解分析目的：计算叶轮在旋转速度载荷下的变形、应力分布及最大应力的大小及位置，以检验该风机叶轮的设计能否满足现场使用要求。图1风机叶轮结构图该风机叶轮的主要参数：叶片数16，材料为15MV，叶轮额定工作转速2970r／min，各焊接件之间的焊接强度不小于700Mpa。叶轮为进口圈、前盘、叶片、后盘、轮毂

5、五部分焊接而成。结构如图1所示。有限元模型的建模思路：有限元模型实际上构建的是一个刚度矩阵，刚度矩阵主要取决于结构的形状和材料的弹性模量。而一般钢材的弹性模量都非常接近，其密度也很接近，主要区别是强度和硬度的差别，而硬度和强度参数是不会引入有限元模型的。因此建模时将叶轮的各部分作为同一种材料处万方数据增刊滑广军：风机叶轮有限元分析849理，以简化模型的建立，关键是求出结果后分析者自己要明确知道模型中结果和实际对象的对应关系。有限元边界条件的处理：由于叶轮轮毂的内径是牢固安装在轴上的，故将其内径上各节点的全部自由度进行约束(命令：D，all，a11)。风

6、机正常工作时，风机叶轮承受的是等速旋转速度载荷，故对其模型利用OMEGA命令施加2970r／rain的旋转速度载荷。风机叶轮的有限元分析流程及主要命令如图2所示。进入预处理器PREP7：输入材料特性建立模型划分网格l进入求解器SOLU：施加约束：SEL，S，LOC，X，0．105D，ALLALL施加载荷：OMEGA，，，2970*2*3．1415926／60l进入后处理器POSTl：观察模型的变形PLDISP、节点结果EPLOT和单元结果2结果分析图2有限元分析2．1旋转载荷下叶轮的变形如图3所示：最大位移是0．137mm，部位在前盘外圈处如图4所示。

7、DISPLACE^佃NTSTEP=lSUB=lT珏IE=1DMX=。137E．03图3叶轮变形图DISPLACEMENTSTEP=ISUB=1TⅡ{E=1DMX=．14lE—03图4叶轮局部变形图2．2单元应力结果分析如图5所示，单元最大等效应力为0．444e9Pa，位置在叶片与前盘根部的连接处。15MnV材料的屈服强度为0．554e9Pa，焊缝的应力不小于0．700e9Pa，均大于计算的最大应力值，因此单元计算表明，该风机的设计可以满足现场使用要求。图5叶轮单元等效应力分布3结论及讨论3．1结论本文利用有限元分析方法，求取了风机叶轮在旋转速度载荷下的

8、变形、单元应力分布和最大应力，验证了风机叶轮的设计及焊接工艺要求满足现场的使用。证实了对于高速