|
摘要：利用有限元模型对叶轮模态进行了计算,判断分析了各阶模态振型对气动噪声的影响程度 , 求解中利用了ANSYS 的模态循环对称功能 , 同时分析了旋转软化、应力强化对叶轮真实运转状况下模态频率的影响。
Modal Simulation of Axial Fan Blade and The Effect of That on Aerodynamic Noise
Abstract:Calculation is carried out on impeller modal using the finite element model.Ｔhe effect of modal vibration in various stage on aerodynamic noise is judged and analyzed ,the effect of rotating softness and stress intensification on the modal frequency under the impeller in real operation condition is also analyzed at the same time.
一、引言
轴流通风机当其叶片较薄以及过度前掠,重心偏离叶根截面中心时,较高转速造成的离心力和不稳定进气流造成的叶片升力的变化,很容易激发叶片振动。同时由于流固耦合,还可能造成叶片的驰振 ,使叶片提前疲劳损坏,降低风机效率,并产生较大的气动噪声。
在叶轮设计时有必要对其振动模态进行计算,但叶片叶身曲面复杂,用经典理论无法求解 ,因此必须借用有限元模型来计算。ANSYS 是当今比较有名的有限元分析软件之一,具有多种物理场的求解功能 , 可以很方便地进行模态分析;大型 CAD 系统软件 UniGraphics 具有丰富的曲面造型功能 , 非常适合于叶轮等具有复杂曲面实体的造型,建好的实体模型导入ANSYS 即可进行模态分析。
二、叶轮 CAD 模型建立和接口导入
1. 叶轮基本参数
轴流通风机为整体注塑 ABS 塑料叶轮, 叶片数为4,叶片较宽,叶片呈前掠状。工作转速为 860 r/min,轮毂直径为0.147m,叶轮外径为0.42m 。
2. 几何模型建立
通过三坐标测量仪测量得到叶片表面型值点 , 将点阵连接成曲面 , 并利用软件 U G 的曲面剪裁和缝合功能 , 将叶片的曲面连接起来。一旦所有曲面被缝合就自动生成以各曲面为边界的实体。
叶轮为循环对称结构 , 为加快有限元分析过程 , 利用 ANSYS 的循环对称分析功能 , 对一个90 °基本扇区进行求解。建模时使全局坐标系的Z 轴与叶轮旋转轴线对应 , 建立完整叶轮模型,然后用过轮毂轴线两个相互夹角为 90 °的两个平面切出 1/4 的叶轮模型 (图 1) 。 |
|
3. 导入几何模型
能够将UG模型导入ANSYS 的方法有 3 种,其中基于直接的模型数据交换的两种是:一是通过标准的数据接口将 CAD 模型数据转入分析系统;另外是通过ANSYS为UG提供的专用接口直接读入UG的prt 文件;第三种借助UG的GFEMFEA。
这里采取第二种方法 , 在功能菜单中点击File → Import → U G, 再选取零件文件即可。
三、预处理和求解
1. 输入材料物理参数
输入ABS材料的物理性能参数:密度为1.2×10-6 g/mm3 ,弹性模量为2.3MPa,泊松比为0.38。
2. 选择单元类型
叶轮表面为变厚度复杂曲面 , 选用 10 节点的四面体单元 solid92 , 该单元采用二次位移模式 , 非常适合对形状不规则的实体划分有限元模型。
为了对基本扇区的两个间隔相对 90 °的轮毂的剖面划分网格 , 还选择了一种二维单元:MESH200 单元 , 并设定单元形状参数为“ triangle with 6 nodes ” (MESH200 单元是专门用来划分网格 , 提供网格占位功能 , 不参加单元运算 ) 。
3. 划分网格
先用 MESH200 三角形平面单元划分轮毂上的两个剖面的一个面上的网格 , 然后通过MSHCOPY 命令将该面上的网格拷贝到另外一个剖面上 ( 完成后的网格单元如图 2) 。 对整个模型用 solid92 单元分网格(完成后的网格单元如图 3) 。
4. 边界条件加载
叶轮通过轮毂的轴心线装配在电机轴线上 , 叶轮除转动外 , 其它运动都被限制。所以使轮毂圆柱装配面的有限元节点 X , Z |
