用ANSYS软件研究轴流通风机叶轮的振动特性

1、用 ANSYS 软件研究 轴流通风机叶轮的振动特性 Re search on Vibration of Axial Fan Impeller with ANSYS钮冬至 樊启泰上海交通大学机械工程学院【摘要】 用 ANSYS 软件对轴流通风机叶轮的振动特性进行了分析 。模型 ,ANSYS机辅助设计 。关键词 :叶轮软件 振动 分析Abstract :Vibrating characteristic is analyzed on the axial fan impeller with the software ANSYS. The fi 2 nite element model of axial

2、 fan impeller is built. The natural frequency and mode of impeller are cal 2 culated. It is an advanced method that use ANSYS to analyze the vibrating characteristic of axial fan impeller. It can be also used in fan CAD.K ey w ords :Impeller Soft w are Vibration Anal 2 ysis一 、 前言在轴流通风机事故中 , 轴流通风机叶片断

3、裂 事故往往占很大比例 , 而其叶片的断裂原因又多 由振动引起 , 所以对叶轮的振动特性进行分析非 常重要 。 以前利用手工或半手工算法对叶片进行 振动计算工作量大 , 不容易表达其振型情况 , 且未 考虑轮毂和叶片之间的耦合振动现象 。本文利用 引进的大型通用有限元分析软件 ANSYS 建立了 叶轮的整体有限元模型 , 分析了叶轮的振动特性 , 并且通过试验证实了结果的可靠性 , 说明了用 ANSYS 软件对风机进行振动分析是一种先进的 方法 , 而且也可以作为切实可行的方法用于风机 产品的计算机辅助设计 。(1 几何参数型号 :5#轴流通风机 ; 叶片数为 4片 , 风机转 速为 750r

4、/min , 叶片内径为 0. 18m , 叶片外径为 0. 5m , 叶 片 厚 度 为 2. 4mm , 轮 毂 钢 板 厚 度 为 4. 25mm 。(2 材料及物理性能叶片采用铝板 (L Y12M , 密度为 2800kg/m 3, 弹性模量为 68GPa , 泊松比为 0. 33, 十字架轮毂采 用普通碳素钢 Q235-A , 密度为 7850kg/m 3, 弹性 模量 为 206GPa , 泊 松 比 为 0. 26, 屈 服 极 限 为 216MPa 。(3 叶轮整体有限元力学模型的建立首先利用仪器对实际叶轮进行测量 , 得到叶 片及轮毂部分若干点的坐标 , 对于 5#轴流通风

5、机 , 在一个叶片上取 76个点 , 在 1/4轮毂上取 20个点 , 用这 96个点为基础 , 建立叶轮 1/4部分的 立体模型 , 然后根据叶轮旋转对称的几何特性 , 通 过软件的对称拷贝和布尔运算 、 搭接及粘接等功 能建立叶轮整体的立体模型 。所建力学模型的重 量为 1. 975kg , 与实际叶轮的重量 1. 99kg 非常接 近 (误差 <2% , 证明所建力学模型与实际叶轮相 符 。叶轮整体模型共分为 3070个节点 ,2905个单 元 , 如图 1所示 。三 、 叶轮振动特性的有限元计算结果及说明(1 一阶振动频率为 80. 4Hz , 振型表现为叶片前后摆振 , 其中

6、1、 3叶片向前摆动时 ,2、 4叶片向后摆动 , 相2001年 1月 8日收到 上海市 200030用 ANSYS 软件研究轴流通风机叶轮的振动特性 位相差 180° 。图 1 叶轮有限元网格实体图图 2 叶轮的一阶振型 图 3 叶轮的二阶振型 图 4 叶轮的三阶振型 图 5 叶轮的四阶振型 (2 二阶振动频率为 130. 11Hz , 振型表现为 4个叶片同相 前后摆振 。(3 三阶振动 频率为 183. 36Hz , 振型表现为 1、 3叶片前后 反相摆振 ,2、 4叶片绕 X 轴同方向扭转振动 。(4 四阶振动频率与第三阶振动重频 , 为 183. 84Hz , 但是 其振型

7、与 3阶振动不同 , 振型表现为 1、 3叶片绕 Y 轴同方向扭转振动 ,2、 4叶片前后反相摆振 。四 、 采用有限元软件 ANSYS 对风机叶轮振动特性进行分析的优点 1. 具有较高的准确性采用这种方法较以前的手工或半手工算法更 真实地反映了叶轮的实际结构情况 , 因此提高了 计算结果的精确度 。与试验模态分析方法相比 较 , 结果很接近 , 特别是在低阶频率情况下 , 误差 很小 。 例如 , 通过试验方法测得的上述风机的前 五阶固有频率 , 与用有限元方法计算的结果比较 如表 1所示 (计算误差时 , 假定试验模型态分析方 法为准确值 。(下转第 14页 计算机应用 风机技术 2001年第 5期了叶轮总体压力不变 。图 1为我厂 D180改型设计的新旧叶轮叶片 分布图对照 。图 1 出 , 流道的截面积显著加宽 ; 流道的长度也有所缩 短 ; 加上长叶片分两截错位排布 , 使外端长叶片吸 力面流速明显增加 , 达到少粘灰的目的 , 再加上叶 片表面耐磨防腐涂层光滑处理 , 使叶轮运转周期 增加变为现实 。四 、 使用效果分析我厂为济钢改造的 D80,D180叶轮