某离心通风机叶轮的ANSYS建模及应力分析Word格式.docx
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Keywords：
CentrifugalfanImpellerANSYSFiletelement
第一章绪论
1.1课题背景
进入21世纪，现已成为世界第二大经济体的中国经济开展令世界倾慕。
1979年至2012年，中国经济年均增速达9.8%远超世界经济年均增速。
中国有着悠久的风电产业的开展历史，对于我国的经济增长，风机功不可没。
在各个行业都有风机的身影。
随着中国经济的快速增长，特别是进入“第十二个五年方案〞，国家加大根底设施投资，以及对行业开展的支持增加，风机市场毫无疑问将会更加繁荣。
离心通风机是大型机组设备中的重要组成局部，根据风机产品的开展趋势，低噪声、高效、大型化的风机在未来市场潜力。
在大型化的机组中，风机强度、运行寿命和可靠性都受到了一系列挑战。
叶轮毫无疑问是离心通风机的最关键的部件，也是实际应用中最容易出现问题的部件。
在离心通风机的工作状态下，叶轮高速转动的过程中承受离心力和气流激震力等力的共同作用，叶轮的工作状态下受力十分复杂。
所以风机的稳定性以及可靠度受叶轮强度和震动的直接影响。
基于叶轮复杂的构造和工作环境，对它的研究更加困难也更加重要。
1.1.1行业现状
国外的各个风机企业都在加强对风机的科研投入，优化风机的设计和性能，才能在风机市场占有一席之地。
风机在兴旺国家如：
美国、德国、日本的开展较快，其制造和研发更方面科技比拟成熟，这些国家的风机企业在中国也有很好的口碑和品牌效应，在我国风机市场占据优势。
我国风机产业起步不计较玩，但最近几年取得了十足的进步，从最初的引进后仿制，到自主设计乃至返销国外。
尽管如此，国风机行业与国外还存在一定的差距。
1.1.2课题研究的意义
叶轮是离心风机的核心部件，其设计质量的好坏直接影响到整个机组的工作效率和稳定性，且随着风机市场质量需求、同行业竞争以及原材料价格的上涨，风机企业对其自身产品的技术需求越来越高，对于风机设计优化愈加迫切。
利用ANSYS有限元辅助软件分析，可以在满足风机所需强度和可靠性的前提下，尽量减少风机尺寸、节省原材料、优化构造，是材料利用最大化，为企业带来可观的效益。
用有限元强度分析对于提高风机的设计水平，有重要的意义。
其意义有：
1.为离心通风机叶轮的设计提供理论依据，保证风机强度平安。
2.优化产品构造，提升质量的同时，节省了材料，为企业节约生产本钱。
为今后企业大规模扩大奠定根底。
第二章关于风机
2.1风机的应用
风机在各行各业得到了广泛的应用，并且起到了十分重要的作用。
〔1〕离心风机在农业中的应用：
离心风机构造简单便于安装，在农业生产中发挥着巨大作用，简化了农业生产过程，是农业机械化。
我国农作物产量世界领先，农耕面积大，作物收获之后如不及时风干处理，易腐烂变质，或者发芽，造成浪费。
过去农民只能通过自然晒干，处理刚收获的谷物，离心风机的普及解除了天气的限制。
在大型的粮食储藏地方，根本都装备了离心风机，能更好的通风换气，保证粮仓空气的湿度，更好的保存了粮食。
谷物中会出现干瘪，不饱满的情况，风机可以用来提取饱满品相好的谷物。
风机输送风能，可以吧不饱满的谷物吹起，保存饱满的谷物，极大节省了人力。
另外，在农业机械中处处可见离心风机的身影，利用离心风机送风的功能，反向出现了利用风能转为机械能，到达灌溉、收割做业。
这比人力、畜力便捷且高效。
〔2〕离心风机在工业中的应用：
我国工业化进程高速开展的今天，离心风机的出现，它耐用而且实用性高，使人们越来越难以离开这一便捷的工业化产品。
离心风机在众多场合得到应用，尤其是工厂、仓库、矿井、隧道、车辆船舶等这类空气不能自然流通的场合；
在高温的工作环境如锅炉、鼓风炉、工业用炉也有它的身影；
对于需要保持空气清洁的的地方如，餐厅，厕所，车站等设施中的通风与散味。
2.2风机的构造与分类
早在19世纪80年代，离心通风机被英国人Goebel首先创造，改离心风机有两局部组成：
叶轮和机壳，二者同心。
砖材料制做的机壳，木制且后向直的叶轮，但效率效率只有百分之四十。
随后，不同于同心型技巧蜗形机壳出现了，后向弯曲叶片的离心通风机根本成型，二者都广泛用于矿井通风。
不管离心通风机尺寸型号怎样，都离不开叶轮和机壳的组合，小型通风机通常直接将叶轮到电动机，叶轮随连接轴一起转动，二者同步转动。
对于型通风机显然就不适用了，大中型通风机由于安装条件，动力需求等个方面的限制，通常要么由联轴器，要么由皮带轮与电动机间接的联接在一起。
对于流量很小的离心通风机，机壳设计成单侧进气，采用单级叶轮；
流量大的离心通风机，机壳设计成可双侧进气两个方向相反对称的叶轮，又叫做双吸式离心通风机。
在叶轮和机壳中叶轮显而易见是通风机的关键构造，叶轮设计成怎样的几何形状、叶片几个、多大的尺寸和材料外表的精度对性能的影响有天壤之别。
要确保通风机能够转动平稳、正常工作，我们需要对叶轮的静平衡或动平衡校正。
工程
后倾叶片
前倾叶片
效率
高
低
耐磨性
好
差
本钱
搞
耐腐蚀
一般
尺寸
大
小
噪声
工作围
广
狭
可工作温度
中等
中高
叶轮转速
电动机易超载
不
是
2.3离心机的工作过程
离心机的工作原理是通过叶轮旋转，使风机部气压小于风机外部大气压，形成压力差带动气体流入风机，风机累叶片转动时空气获失势能由风机向外流动。
总之是依靠高速旋转的叶轮，使气体在惯性离心力作用下从出口甩出,使吸入口出现真空，从而形成气体压由低压区到高压区的转换。
图2-1
图2-1为离心式通风机个构造部件示意图，当电动机运转时，通过9-皮带叶轮或联轴器带动4-机轴进而带动叶轮转动，叶轮转动时，叶轮叶片间隙中的空气也随之转动，空气在转动时受离心力，被甩出叶片间隙聚集在1-涡旋型机壳。
由于越靠近6-排气口机壳的界面剂越大，空气在流向排气口的过程中，速度降低，大局部动压力转为静压力，以一定的压力从6-排气口压出。
随着叶轮中的空气压出，叶轮中心的气压低于大气压，空气被大气从5-吸气口压入风机。
这样就形成了一个循环，是空气源源不断的由吸气口流向排气口。
第三章9-19型离心通风机的三维图与平面图
3.19-19型离心通风机平面图
CAD是专门用于帮助设计人员进展设计工作的辅助软件，全称是——计算机辅助设计（CAD-puterAidedDesign）。
使用CAD绘制二维图纸，方便快捷。
绘制图纸的主要功能是将，一个实体模型，通过起三视图——即主视图、俯视图、左视图，展示出来。
假设实体模型对称有时候也可以只用主视图和俯视图表示。
只要能到达表达效果，CAD的绘制形式可以千变万化。
本文，那么只绘制了俯视图及侧视图，因为对于本次的9-19型叶轮而言，由其对称性主视图与侧视图一致。
由于CAD绘图不是本次论文的重点，叶轮的绘制过程在此处省略。
平面图用AutoCAD绘制。
具体数据，依据1-19型离心通风机叶轮参数得俯视图3-1与侧视图3-2
图3-1图3-2
3.21-19型离心通风机叶轮三维图
UG是专为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段的软件，全称——UG〔UnigraphicsNX〕。
UG草图绘制比CAD更便捷，经过一系列命令，可以将模型实体化，更加直观，便于操作者设计和优化。
与UG类似的三维制图软件还有solidworks，solidworks与ug的不同之处在于：
1.solidworks对于〔没什么根底〕想学习三维建模的比拟容易上手。
2.UG对于想学习模具设计加工编程的最好学习UG。
3.UG的曲面直接建模CAM编程等功能比拟强大。
4.solidworks在二维出图等方面比UG方便，标注等也根本按照国标来做的。
通风机叶轮通过UG8.0绘制，通过简单的拉伸、旋转、求和、剪切得到图3-3正等侧视图
图3-3
第四章9-19型某离心通风机叶轮的建模
该论文的离心机叶轮是由UG绘制三维图后导入ANSYS后建模而成。
UG8.0绘图过程如下：
4.1绘制上圆盘
4.1.1创立草图
单击【插入】?
【草图】弹出“创立草图〞对话框，选择【创立平面】?
单击【平面对话框】，在类型中选择“YC-ZC平面〞单击“确定〞。
【任务环境中的草图】进入“创立草图〞对话框，在平面选择方法中单击“选择平的面或平面〞在双击图中先前创立的平面，单击【确定】
4.1.2绘制草图
根据二维图尺寸，绘制离心通风机叶轮的上侧圆盘。
具体流程，参见CAD绘图。
绘制完成后，单击【完成草图】得图4-1。
图4-1
4.1.3旋转成体
点击【盘旋】后弹出“盘旋对话框〞?
拾取草图曲线；
“指定矢量轴〞选择“YC〞轴
；
“极限〞起始角度选“0〞完毕角度选“360〞?
单击确定。
得下列图4-2
图4-2
离心机叶轮上圆盘绘制完成
4.2绘制下圆盘
4.2.1创立草图
4.2.2绘制草图
根据二维图尺寸，绘制离心通风机叶轮的下侧圆盘。
具体流程，参见CAD绘图，得图4-3。
图4-3
绘制完成后，单击【完成草图】。
4.2.3旋转成体
点击【盘旋】后弹出“盘旋对话框〞?
得图4-4
图4-4
4.3绘制叶片
4.3.1创立草图
单击【平面对话框】，在类型中选择“XC-ZC平面〞单击“确定〞。
4.3.2绘制草图
具体流程，参见CAD绘图。
先绘制一片叶轮俯视图，得图4-5。
图4-5
将该线段进展求和运算。
鼠标左键拾取所绘线段，单击【求和】命令。
矩阵复制叶片草图，以圆盘原点为圆形，单击【矩阵】，角度“360〞，数目“12〞，单击确定，即复制了12片叶片。
4.3.3拉伸成体
单击【拉伸】命令，弹出“拉伸对话框〞，拾取先前所绘叶片草图；
指定矢量选择YC方向；
“极限〞中，开场值取“0〞，完毕值取“305〞。
注：
此处“305〞为任意值，只要叶片体穿过上下圆盘即可，超出上下圆盘，是为了方便后续步骤中进展布尔运算，得图4-6.
图4-6
4.3.4布尔运算
单击【修剪体】，弹出“修剪体〞对话框。
“选择体〞中，拾取12片叶片；
“工具选项〞?
选择面或平面，分别选取上侧圆盘，单击确定。
即将拉升的叶片用上下圆盘修剪成介于上下圆盘之间的一段。
图4-7
4.4打孔与螺栓
4.4.1创立草图
单击【插入】?
4.4.2绘制草图
根据二维图尺寸，绘制下册圆盘中的孔和螺栓面。
4.4.3打孔
单击【孔】，弹出“孔〞对话框，类型选择“常规孔〞，拾取草图中所绘孔。
图4-7图4-8
该论文中，忽略的螺栓的作用，故将螺栓与底盘划为一个整体。
同理，运用【拉伸】，得到下列图4-9
图4-9
4.5求和
单击【求和】命令，拾取所有体，将所有体合为一个整体。
方便导入ANSYS后进展网格划分。
至此，9-19型某离心通风机叶轮建模完成。
第五章叶轮的ANSYS有限元分析
5.1有限元的根本思想
由于计算机的广泛普及和高速开展，有限元将力学与计算机技术相结合的现代计算方法。
有限元法是首先应用于航空工程飞机构造分析的一种有效的数值分析方法，随后就很快被推广应用于机械工程的构造分析中，进一步从固体力学领域扩展到流体力学、热力学、电磁学、声学、光学、生物学等诸多领域。
有限元法是借助与数学理论和力学理论，利用计算机技术解决工程问题构造分析的一种方法。
从数学上来说，有限元法是通过离散化的手段把偏微分方程或者变微分方程转变为代数方程求解。
从力学上来说，有限元法是通过离散化的手段，利用单元的力学特性，把一个复杂的连续体离散成有限个单元体的组合节奏，然后通过理论推导得到一个表征整体求解域问题的线性方程组，再进展求解。
与弹性力学和构造力学中的解法类似，有限元法根据选择根本未知量的不同来看，可分为3类：
位移法、力法和混合法。
有限元法中以节点位移法作为根底未知量的求解方法称为有限元位移法，与构造力学中的矩阵位移法类似，但矩阵位移法仅限于梁杆构造的计算，有限元法来源于构造力学，其后的开展有超越了构造力学。
5.1.1有限元构造分析的分析流程
采用有限元工程软件进展构造分析计算的分析流程下列图5-1
工程问题
搜集相关资料
决定分析工程
获取材料的机械性能级集合条件、荷载、边界条件
有限元程序
建立有限元模型
材料属性
定义几何形状
构造离散
前处理模块
加边界条件
加负载条件
加时间变化条件
分析解题模块
分析结果显示、打印后处理模块
结果判断
不合理合理
构造优化
最正确设计
图5-1
5.1.2有限元法的优缺点
优点：
1.有限元法可以模拟各种几何形状复杂的构造，得出其近似解。
2.有限元法的解题步骤可以系统化、标准化，能够开发出灵活通用的计算机程序，使其能够广泛地应用于各种场合。
3.边界条件与构造模型相互独立，互不影响，可以从其他CAD软件中导入创立好的模型。
4.有限元法很容易处理非均匀连续介质，可以求解非线性问题和进展耦合场分析。
缺点：
1.有限单元对于复杂问题的分析计算所消耗的计算资源是相当惊人的。
2.对无限求解域问题没有较好的处理方法。
3.有限元软件在具体应用时需依赖使用者的经历，而且在精度分析时需消耗相当大的计算资源。
第六章离心通风机叶轮的ANSYS分析
6.1UG叶轮模型导入到ANSYS
ANSYS是在有限元分析的根底上的大型物理领域的工程仿真分析软件，有限元分析的三个主要步骤分别是:
第一步，在分析之前,进展几何模型建立有限元网格划分等工作;
第二步,在预处理建立数学模型应用边界条件和分析;
第三步后处理,求解结果说明,观察,进一步操作,等CAE软件,用户最关心的应该是:
使用这个软件可以解决我在产品设计的过程中遇到什么问题?
各种各样的问题,如何解决精度等等。
在这一点上,ANSYS是迄今为止在一个软件系统分析类型是最普遍,最强大的软件分析能力。
从大的方面说,ANSYS分析围覆盖的性质四个主要类别:
构造力学（从广义的角度说,也是一种构造力学）,温度场、流场、电磁场,与此同时,在ANSYS这一领域也可以几个类别的耦合分析,然而,ANSYS经典界面处理的实体建模、啮合,加载添加能力弱,导致一些构造更复杂的零件建模和有限元网格不是很方便,但是新一代的ANSYSworkbench在这个领域有一个很好的解决方案）。
UG软件是三维实体建模,装配建模,生成直观视觉数字虚拟产品,并进展分析、干预检查和模拟运动和载荷分析。
其功能特点如下:
在造型设计局部,实现直观的描述的设计理念,设计灵活,使概念设计;
三维实体建模软件UG,有自己的CAE功能加载,加载和边界条件、网格强大和方便。
但求解精度远低于专业有限元分析软件ANSYS。
UG有限元解析函数的处理和export2.1UGUG软件除了强大的三维实体建模和装配建模,但也有强大的运动分析、干预检查和模拟运动和载荷分析功能,对构造分析。
在UG软件UG有限元分析模块构造,在UG-构造,由UG三维实体模型可以很容易地创立各种有限元模型,如:
4和10节点四面体,8和20节点六面体,三维实体单元节点3和6和8日4节点四边形三角形二维图形单元,梁、杆和弹簧一维单元,无论多么复杂的构造可以很容易地在UG有限元划分。
但在ANSYS软件,如果构造复杂,有限元直接分类是困难的,有时甚至是不可能的,和在UG-构造很能力。
此外,负载加载过程中,UG-构造有一个独特的方式,如轴承负荷可以直接通过负载选择负载,没有直接加载的加载在有限元分析软件,对更复杂的转换添加加载到相应的位置。
运行ANSYS14.0.，单击【File】?
【Import】?
【NX...】选取文件，单击确定。
导入后，模型是线条，需要先实体化。
单击【PlotCtrls】?
【Style】?
【SolidModelFacets】
弹出SolidModelFacets对话框，选择normalfaceting,单击OK.将模拟实体化，如图6-1.
图6-1
6.2离心通风机叶轮的有限元分析
ANSYS采用的是国际单位制，而是采用mm〔毫米〕、N〔牛顿〕、〔s〕秒的单位制，质量的单位为Ton〔吨〕，应力的单位为MPa。
UG采用的单位制为mm（毫米）、N（牛顿）、质量的单位为Kg（千克）、应力的单位MPa（兆帕）。
因此在UG模型导入到ANSYS中时应提前将单位换算过来。
6.2.1设立工作目录、文件名、标题和分析模块
首先在硬盘上建立一个工作目录，例如D：
Shell，然后启动ANSYS程序软件，把ANSYS
程序软件的工作目录改为在硬盘上已建立的工作目录，然后设立一个工作文件名，或者进入ANSYS程序软件之后，通过实用菜单中的File>
Changedictionary,f
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