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 workbench对0473X9D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：

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：

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：

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

1.4 叶轮等效应力Von-Mises图（Pa）

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：