1、兩種離心通風機葉輪零部件強度計算方法的比擬分析 蔡建程 袁民健 盧傅安 祁大同 邱長安 /西安交通大學能源與動力工程學院 摘要：闡述了葉輪零部件強度分析的傳統(tǒng)計算方法和有限元計算方法，并進行了比擬分析，提出了建議和要求，給出了結(jié)論。關(guān)鍵詞：離心式通風機；葉輪；強度；有限元分析中圖分類號：TH432 文獻標識碼：B文章編號：1006-8155200705-0030-04A Contrast between Classical Method and Finite Element Method for Calculating Strength of Impeller Parts in Centrif

2、ugal FansAbstract: This paper specifies the classical method and Finite Element Method for analyzing strength of impeller parts, and gives the comparison and analysis for them. The advice and requirements are pointed out. And the conclusion is obtained.Key words: centrifugal fan; impeller; strength;

3、 Finite Element Method (FEA)0 引言 分別用傳統(tǒng)方法和有限元方法計算了某離心通風機葉輪零部件強度。在傳統(tǒng)的計算分析中，葉輪零部件包括輪盤，軸盤，葉片，鉚釘強度都滿足要求。而在使用通用有限元分析軟件ANSYS及NASTRAN計算時,如果不考慮葉片根部與輪盤之間的焊接工藝情況，這些部位的應(yīng)力那么超過材料許用應(yīng)力。本文采用增加這些部位單元的厚度來模擬焊接工藝以消除應(yīng)力集中，使得出的應(yīng)力值低于材料的許用應(yīng)力，并依據(jù)計算結(jié)果對焊縫的幾何尺寸及焊接質(zhì)量提出相應(yīng)要求,確保風機的平安運行。1 葉輪零部件強度分析的傳統(tǒng)計算方法1某離心通風機葉輪后盤為鋼板制成的等厚圓盤，材料為Q235

4、A，其彈性模量，泊松比，屈服強度，拉壓許用應(yīng)力，密度2 。葉輪零部件的主要尺寸：輪盤厚度，輪盤外徑，輪盤內(nèi)徑，葉輪最大轉(zhuǎn)速，角速度，單個葉片質(zhì)量，葉輪中心至葉片重心的半徑，葉片數(shù)量，軸盤的最大直徑。1.1 輪盤的強度計算(1后盤因本身離心力產(chǎn)生的最大切向應(yīng)力在內(nèi)孔處計算公式為 1代入數(shù)據(jù)得到 。(2考慮葉片影響時，后盤附加的切向應(yīng)力由于葉片離心力的影響，將使得輪盤中的應(yīng)力增加。通過附加應(yīng)力法，把葉片離心力對輪盤應(yīng)力的影響進行折算，引入一個分配系數(shù)，對后盤取1.0，對于前盤取0.5。葉片離心力使輪盤內(nèi)圈應(yīng)力增加，可用下面公式估算： 2代入數(shù)據(jù)得到。(3后盤最大切向應(yīng)力平安系數(shù) ，滿足要求。1.2

5、 葉輪軸盤的設(shè)計計算根據(jù)軸盤圓周速度的計算公式： ，得到。當，選用鑄鋼或球墨鑄鐵。所以，軸盤材料選用球墨鑄鐵QT500，強度是足夠的。1.3 葉輪葉片的強度計算對于薄板彎焊成的機翼形葉片，將其形狀近似簡化成橢圓形來處理，受力分析如圖1所示。為葉片重心處的安裝角，是葉輪中心至葉片重心的半徑。由于繞橢圓短軸的抗彎模量較大，因此，產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力較小，可以忽略不計。葉片對橢圓長軸的抗彎截面模量可按材料力學平面圖形幾何性質(zhì)的有關(guān)定義計算。葉片的最大彎曲應(yīng)力為，此處把葉片簡化成兩端固定的超靜定梁。最后計算得到。葉片強度的平安系數(shù)，滿足平安要求。圖1 機翼形葉片受力分析圖圖2 葉輪的有限元模型圖根據(jù)文獻1提

6、供的對于葉輪后盤和軸盤鉚接強度校核步驟，對此葉輪中的鉚接強度包括剪切強度和擠壓強度進行了校核，其強度都符合平安要求。2 葉輪零部件強度計算的有限元方法運用大型通用有限元分析軟件ANSYS，對葉輪各零部件建立了有限元分析FEA模型。葉片用殼單元剖分，其他部位用體單元，見圖2。葉輪強度靜力分析結(jié)果如下云圖顯示。圖3 葉輪von Mises應(yīng)力圖由于有限元模型中沒有考慮葉輪葉片焊接處有圓角過渡，也沒有考慮葉片尾部的小圓弧，而把葉片與輪盤后盤連接處按直角處理，把葉片尾部處理成尖角，從而可以從應(yīng)力圖中看到，這些地方有嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)第四強度理論得到的von Mises總應(yīng)力的最大值，就出現(xiàn)在葉片

7、尾部和葉輪與后盤結(jié)合的地方，在應(yīng)力圖中用圓圈標出。其他部位的應(yīng)力大小情況，代表性地選了12個節(jié)點的von Mises應(yīng)力，其應(yīng)力值見應(yīng)力圖。圖4 葉輪應(yīng)變圖圖5 葉輪變形總位移矢量圖另外，從總變形位移矢量圖中看出，葉輪零部件中葉片中部變形最大，達2.19mm, 說明這些局部剛度較小。3 有限元方法分析圖6 葉片根部加厚處理后的葉輪應(yīng)力圖用常規(guī)校核方法計算分析，風機各局部強度都符合要求，不存在強度問題。而用有限元分析，在沒有考慮焊接工藝的情況下，葉片與前盤和后盤連接處有較大應(yīng)力集中，局部超過許可范圍。鑒于具體的焊接加工工藝很難用有限元法準確模擬，又為了表達焊接工藝對結(jié)構(gòu)強度的影響，在葉輪的有限元

8、模型中采取將葉片根部單元增厚2mm的方法模擬焊接工藝，以減小應(yīng)力集中和提高焊接處強度。采用NASTRAN重新建模，得到的計算結(jié)果如圖6圖10所示。可以看出，這時葉片尾緣、葉片與前盤和后盤連接處仍有較大的應(yīng)力，但其最大Von Mises等效應(yīng)力降為160MPa。葉片吸力、壓力面的等效應(yīng)力分布見圖7和圖8。前盤上的最大等效應(yīng)力104MPa，見圖9，后盤上最大等效應(yīng)力52MPa，見圖10。圖8 葉片壓力面應(yīng)力分布圖圖7 葉片吸力面應(yīng)力分布圖圖9 前盤應(yīng)力分布圖圖10 后盤應(yīng)力分布圖4 結(jié)論該離心通風機葉輪通常在葉片和前、后盤連接的根部有較大應(yīng)力，需要采取適當?shù)暮附庸に囂岣呷~片根部的強度，減小應(yīng)力集中。從第二個有限元模型分析中看出，如果焊接工藝較好，焊接高度到達一定要求FEA模型中假定高度為10mm，那么上述應(yīng)力比擬大的地方其最大應(yīng)力也將會低于材料的許用應(yīng)力。另外，傳統(tǒng)方法只考慮了平均應(yīng)力，所以算不出應(yīng)力集中部位。即使考慮到應(yīng)力集中部位材料的塑性變形強化，也不能放松對上述應(yīng)力較大部位強度的校核。而在這方面，傳統(tǒng)的強度校核方法顯得無能為力。所以，建議行業(yè)中對于風機運行可靠性有特殊要求