基于有限元的轴流风机叶轮结构振动特性分析-

1、一、引言风机叶轮是风机的心脏。叶轮的性能,对风机效率有极大的影响。叶轮振动使机组产生振动和噪声,过大的振动,使叶轮产生裂纹,危及风机的安全运行。开展叶轮振动的研究,对于提高叶轮的设计水平,具有实用价值。风机叶轮是复杂的组合结构,它由轮盘和若干个叶片组成。对这种复杂结构进行振动计算,以前利用手工或半手工算法对叶片进行振动计算,工作量较大,而且难以表现叶片的振型形状,现在常采用两种方法。(1整体结构动力有限元分析。该法是将叶轮整体进行离散化,形成有限元计算模型。由于叶轮结构的复杂性,离散得到的叶轮有限元模型,节点多,单元多,结构的刚度矩阵和质量矩阵阶数高,计算时输入的信息多,计算用的机时长,很不经

2、济。且这种方法只能得到各阶固有频率和振型的具体数据,无法给出叶轮振动的模态特征。(2模态综合法。该法的基本思想是:依据结构的具体情况,将结构划分为若干个子结构,对每一个子结构用有限元法进行振动分析,得到各子结构的模态参数。为了简化计算,对频率进行截断,只保留若干低阶模态,进而构成各子结构的假设模态集,分别对各子结构的物理坐标进行模态坐标变换。在此基础上,利用各子结构的界面协谐条件,进行第二次坐标变换,消去不独立的模态坐标,得到一组用于描述整个系统的独立广义坐标系,建立结构的振动方程。由于进行第一次坐标变换时,只选用了各子结构的少数低阶模态坐标,因此,经变换后得到的独立广义坐标数远小于整体结构的

3、独立坐标数,使综合后的特征方程的阶数远小于实际结构特征方程的阶数,达到简化计算的目的。模态综合法的缺陷在于:由于采用频率截断,略去了高阶频率和振型的作用,给计算带来一些误差。另外,模态综合法也不能给出结构的模态特征1。在以前的研究中,往往只分析单个叶片的振动情况,所取的约束条件一般是叶片根部取为固定边界条件。本文中把叶片、轮盘和轴作为一个完整的耦合系统来研究其固有振动特性。这是因为,本章中分析的轮盘型面是比较薄的,叶片与轮盘的耦合作用必须加以考虑2。本文采用有限元软件包MSC.Patran 建立了风机叶轮结构的有限元模型,用MSC.Nastran 计算了轮盘和叶片的振动特性,得到了一些可供设计

4、参考的结论。二、有限元力学模型的建立本文计算的有限元模型为轴流风机的叶轮模型,包括轮盘,轴和五个预扭叶片。灵活采用Isomesh 和Paver 两种划分方法,通过mesh seed 控制网格大小。轴采用了二节点Bar2低阶单元来划分,其余都采用四节点Quad4低阶单元来划分。对轴施加径向约束和轴向约束,即轴只能绕Z 轴旋转.整个模型共有789个四边形单元,820个节点。图1风机叶轮结构有限元图三、振动计算结果及说明经过计算得到风机叶轮结构的前20阶固有频率值和振型见表1。频率单位为Hz 。图2给出了其中频率为244.41时的振型图。表1风机叶片结构的前20阶固有频率值和振型图2风机叶轮振型图从

5、计算结果看,叶轮整体振动是叶片和轮盘各自几种振动型式的基于有限元的轴流风机叶轮结构振动特性分析王旭东1汤文成2(1.宜兴丁蜀职业高级中学江苏宜兴214200;2.东南大学江苏南京210000【摘要】本文采用有限元方法对轴流风机叶轮结构进行振动分析。首先,建立了轴流风机叶轮结构的有限元模型,在此基础上,计算出叶轮的固有振频和振型。本文表明,采用有限元方法对轴流风机叶轮结构的振动耦合特性进行分析是一种较好方法。【关键词】轴流风机;叶轮; 振动特性第 i 阶模态频率整体振型描述轮盘描述i=10.0089绕轴旋转绕轴旋转i=2244.41叶片1阶弯曲圆面绕一直径旋转,侧面变形i=3244.71叶片1阶

6、弯曲圆面绕一直径旋转,侧面变形i=4246.89叶片1阶弯曲圆面不动,侧面变形i=5247.29叶片1阶弯曲圆面不动,侧面变形i=6272.71轮盘伞状振动伞形振动(节圆振动i=7408.95叶片1阶扭转圆面绕一直径旋转,侧面变形i=8409.39叶片1阶扭转圆面绕一直径旋转,侧面变形i=9410.11叶片1阶扭转圆面不动,侧面变形i=10412.09轮盘和叶片耦合振动复合振动i=11428.42叶片1阶扭转伞形振动(节圆振动i=12730.78轮盘和叶片耦合振动伞形振动(节圆振动i=131132.9叶片2阶弯曲圆面绕一直径旋转,侧面变形i=141133.2叶片2阶弯曲圆面绕一直径旋转,侧面变

7、形i=151164.5叶片2阶弯曲圆面不动,侧面变形i=161164.5叶片2阶弯曲圆面不动,侧面变形i=171258.4轮盘和叶片耦合振动,叶片2阶弯曲伞形振动(节圆振动i=181330轮盘和叶片耦合振动,叶片2阶弯曲圆面绕一直径旋转,侧面变形i=191332.2轮盘和叶片耦合振动,叶片2阶弯曲圆面绕一直径旋转,侧面变形i=201399.2轮盘和叶片耦合振动,叶片2阶弯曲圆面不动,侧面变形412科复合振动,叶片振动按其节线型式可分为摆动(叶片具有以叶轮轴线为圆心的节圆型振动节线,叶片相对节线沿叶面法线方向振动和扭转振动(叶片具有叶轮直径方向的节径型振动节线,叶片相对节线作扭转振动3。四、采用

8、有限元方法对叶片振动特性进行计算的优点41.具有较高的准确性以往采用的手工或半手工算法,为准确反映叶片的形状特点,就要预先求出大量的叶片几何及物理特性数据,工作量大。若要修改叶片几何形状,就要重新进行前面的工作。而用有限元方法处理类似问题时,只要给出必要的几何形状,用有限元前处理功能就可绘制出精确的叶片立体模型图,并可自动进行有限元网格的划分。叶片边界条件处理也比较灵活,可在任意位置进行约束,即可加完全固定约束,又可加具有刚度的弹性约束。如果要修改设计也比较方便,在前处理中要任意改变叶片的截面形状和扭转角度。由此可见采用有限元方法处理叶片振动问题,方便灵活,准确性高。2.应用范围广只要建立了叶

9、片的有限元网格模型,在力学模型的计算阶段,我们不但能进行叶片的动力特性分析,而且能进行静力特性分析,可考虑施加转动离心力及气动压力后的强度应力分布和刚度变形情况等,即用同一力学模型可同时进行多项内容的设计研究,省时省力。3.结果分析形象化手工或半手工算法对叶片进行振动计算,一般只能得出叶片的固有频率值,而不能全面地反映共振时叶片振型的形状特征。而这正是有限元方法的长项,有限元算法可形象地反映上述特征,并可在不同角度进行观察,找出叶片的节线数量和位置。五、结论采用有限元方法对叶轮进行振动计算是一种先进的计算方法。尤其是在叶轮初期设计阶段,采用这种方法更为经济简便,灵活形象。此方法也是今后叶轮设计

10、工作的发展方向。由于叶片为薄的板壳件并且悬臂安装,刚度较小,在轴流风机叶轮的振动模态中,叶片对整个叶轮的振动模态影响最为显著。叶轮的轮盘辐板是薄壁板件,容易产生扭振,对叶轮整体振动也有相当影响。轮缘对叶轮整体振动的影响相对较小。叶片、轮盘辐板和轮缘的动态特性以及它们之间的振动耦合关系直接影响到整个叶轮结构的振动特性。除了改善叶片的翼型、减少叶片的振动以外,还可以通过修改轮盘的结构参数(比如修改叶轮辐板形状和参数、修改叶轮轮缘参数等改善叶轮整体及其各个组成部分的动态性能,以达到降低叶轮的振动和噪声、提高轴流风机性能和质量的目的3。【参考文献】1唐委校,郑效忠,梁志强.风机叶轮振动分析的群论方法.

11、振动、测试与诊断.第19卷第3期,1999年9月.2周传月等.燃气轮机叶片轮盘振动特性分析.热能动力工程.第15卷第3期,2005年5月.3赵宁等.轴流风机叶轮振动模态实验研究.流体机械.第27卷第6期,1999年6月.4高春山.用有限元法分析轴流通风机叶片的振动特性.风机技术.1997年第1期.作者简介:王旭东(1969,男,江苏宜兴,东南大学硕士研究生,主要研究方向为机械电子工程,中教高级,宜兴市首批机械骨干专业教师,宜兴市教学能手,江苏省教育学会会员。汤文成(1962,男,江苏南京,东南大学教授,机械工程院院长,主要研究方向为机械电子工程.责任编辑:田瑞鑫科(上接第408页进行攻击,保证

12、内网数据的安全。4.数据备份与恢复:为了维护局域网的安全,必须对重要资料进行备份,以防止因为各种软硬件故障、病毒的侵袭和黑客的破坏等原因导致系统崩溃。选择功能完善、使用灵活的备份软件是必不可少的,目前应用中的备份软件较多,如ARC Serve 、CA 的InocuLAN 等。利用备份机备份系统可以快速地全盘恢复运行计算机系统所需的数据和系统信息。备份不仅在网络系统硬件故障或人为失误时起到保护作用,也在入侵者非授权访问或对网络攻击及破坏数据完整性时起到保护作用,同时亦是系统灾难恢复的前提之一。作者简介:柏向峰(1977,男,大学本科,主要从事税务信息化方面工作。责任编辑:张艳芳(上接第420页P

13、=P*q v表2液压缸在各工作阶段的压力、流量和功率3.液压元件的选择(如表3表3液压元件的型号规格【参考文献】1液压传动,丁树模主编,机械工业出版社,1999年12月.2一种新型的机械手臂传动机构设计,杨春杰,黄石高等专科学报,2000年6月.作者简介:陈全胜,男,出生于1968年,工作于浙江联大科技有限公司,机械工程师。责任编辑:汤静工作阶段工作压力(MPa 输入流量(L/min 输入功率(KW 大臂伸出阶段3.0391.95大臂收回阶段6.619.972.19小臂伸出阶段1.623.550.63小臂收回阶段3.912.030.78前臂伸出阶段0.67.540.07前臂收回阶段1.63.850.10序号元件名称通过流量(L/min 型号规格1双联叶片泵42YB1-40/92溢流