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基于ANSYS的风机叶轮有限元强度分析

摘要:对于0473X9D的离心风机叶轮,利用有限元法计算了叶轮在工作转速下的应力分布,并根据计算结果减薄了叶轮的用料。通过对改后的结构再次进行有限元分析,得到了满足使用工况的优化结果,对降低材料成本,优化叶轮结构具有一定的指导意义。

概述

叶轮是风机的核心部件,其结构包含前盘、叶片、后盘、轴盘。由于叶轮是高速旋转的部件,为了其稳定性在制作时一般用料较厚。为响应公司降低成本、优化结构的号召,应用ANYS workbench0473X9D的叶轮进行强度分析,使其在强度、性能不变的情况下减少料厚,降低制作成本,同时也为类似风机的料厚选用提供参考。

叶轮型线比较复杂,在高速运转的情况下,其应力应变的计算具有一定难度。由于算法不同,通过理论计算得到的结果也相差较大。既无法考虑到叶轮局部结构的受力情况,也无法精确的体现应力集中的现象。如采用实验进行应力测试,不仅时间、成本上投入大,也具有一定的危险性。结构有限元法能充分考虑到叶轮结构的变化、各种边界条件及约束,可以有效、清晰的反映叶轮的应力和变形情况。应用ANSYS Workbench对结构进行强度分析是现阶段世界上的主流算法,根据计算结果,可对叶轮的局部结构进行优化、改进,提高材料的利用率。

一、对原有叶轮进行有限元强度分析

1、模型的建立与在喝的施加

(1) 按标准图纸在solidworks中建立叶轮的实体模型,为了保证结果的准确性,不做简化处理。叶轮实体模型如下:


风机叶轮模型

1.1   风机叶轮模型


(2)材料参数设置:弹性模量2.12E+11N/m2,泊松比0.288,密度7.85kg/m3;

(3)划分网格:采用自由网格方式划分网格,网格划分如下图:


叶轮模型划分网格

1.2   叶轮模型划分网格

(4)施加约束与载荷:施加XYZ方向上的位移约束、施加叶轮的转速条件,9D风机转速1450转。

在叶轮强度计算中,气动力较小,相对于叶轮的离心力来说小得多。在考虑一定安全系数的情况下,气动力对叶轮的强度影响可以忽略,因此整个叶轮只考虑离心力的影响,离心力通过对叶轮施加角速度载荷来实现。

2、结果分析

叶轮材料用Q235A,材料的许用应力为235MPa,计算结果如下:


叶轮等效应变Equivalent Elastic Strain图


1.3  叶轮等效应变Equivalent Elastic Strain图(m)

1.3   叶轮等效应变Equivalent Elastic Strain图(m


叶轮等效应力Von-Mises图(Pa)


叶轮等效应力Von-Mises图(Pa)


叶轮等效应力Von-Mises图(Pa)


1.4   叶轮等效应力Von-Mises图(Pa



1.5  叶轮的总变形Total Deformation图(m)


1.5  叶轮的总变形Total Deformation图(m)


1.5  叶轮的总变形Total Deformation图(m)

1.5   叶轮的总变形Total Deformation图(m


由分析结果可以看出,图片可以直观地显示出叶轮整体的应力应变情况,转速为1450rpm时,叶轮的最大应力为119.3MPa,最大应变为0.067mm,应力出现在叶片中间、叶片与前盘相交靠近出口的地方。分析叶轮整体应力分析,可发现除叶片的入口中间处、前后盘与叶片相交处应力值较大外,其余部位的应力值较小;故可通过降低料厚的方法来降低生产成本。

3、结构优化改进

根据上面分析结果,对叶轮的改进方法如下:叶轮整体结构尺寸不变,前盘有4mm减薄为3mm,叶片由5mm减薄为4mm,后盘由6mm减薄为5mm,叶轮入口应力大的地方加一圈Φ8的圆钢加强筋。

结构更改后,叶轮模型如下:

基于ANSYS的风机叶轮有限元强度分析

划分网格如下:

12.png


分析结果如下:

2.3  叶轮等效应变Equivalent Elastic Strain图(m)


2.3  叶轮等效应变Equivalent Elastic Strain图(m)

2.3   叶轮等效应变Equivalent Elastic Strain图(m

2.4  叶轮等效应力Von-Mises图(Pa)

2.4  叶轮等效应力Von-Mises图(Pa)

2.4   叶轮等效应力Von-Mises图(Pa

2.5  叶轮的总变形Total Deformation图(m)

2.5  叶轮的总变形Total Deformation图(m)


2.5  叶轮的总变形Total Deformation图(m)

2.5   叶轮的总变形Total Deformation图(m

由上图可以看出,叶轮用料减薄后,叶轮最大应力为52.19MPa(小于235MPa),最大应变为0.093mm,应力应变的最大位置是叶片的出口中间处、叶片与前盘叶轮的相交处,整体的应力应变仍然符合要求。更改后叶轮重量由原来的85kg降低到64kg,有效的降低了材料成本。

结论

通过对叶轮的分析表明,原有叶轮结构安全余量较大,可以进一步对材料厚度进行优化;更改后分析结果表明,叶轮应力仍然满足要求。在尺寸、性能不变的前提下,更改后的结构能有效地降低材料成本,为相似结构的风机叶轮优化提供了理论依据。


作者:山东罗泰风机 冯成戈等

本文系原创文章,抄袭必究!






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