有限元大作业.docx

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有限元大作业

摘要

随着科技的不断进步，社会的不断发展，能源问题将会成为未来人类必须解决的问题之一，同时可再生能源结构会成为未来能源的倾向之一。

现如今风能作为一种无污染的可再生能源备受人们的关注，在一定程度上，风力发电将会成为未来最具潜力的新能源之一，而风力发电机性能的好坏决定着风能转化为电能的效率和质量，因此对风机的性能分析至关重要。

本文基于此趋势运用有限元方法，利用ANSYSWorkbench软件对一款小型风机进行了流体分析、结构分析和模态分析，求出了风机在一定转速和风速下的压力分布、应力分布和固有频率，得出了风机叶片时最薄弱环节，其强度需要加强的结论。

首先，利用PRO/E软件对风机进行三维实体建模，并导入到ANSYSWorkbench中进行预处理，然后进行网格划分和流体分析，求出风机的压力分布。

再次，对几何模型进行第二次预处理，进行网格划分，导入风机的压力分布，进行结构分析，计算应力分布情况。

最后，在结构分析的基础上进行模态分析，求出风机的振型和固有频率，并对结果进行分析评估。

关键词：

有限元法风机流体分析结构分析模态分析

ABSTRACT

Astechnologyadvances,thecontinuousdevelopmentofsociety,theenergyissuewillbeoneofthefutureofmankindmustsolvetheproblem,whiletherenewableenergymixwillbecomeoneofthetendencyenergyfuture.Windenergyisnowusedasanon-polluting,renewableenergymuchattention,toacertainextent,windpowerwillbecomeoneofthemostpromisingnewenergyfuture,andwindturbineperformancewilldeterminetheconversionofwindenergyforefficiencyandqualityofelectricity,sothefanperformanceanalysisisessential.BasedonthistrendusingthefiniteelementmethodusingANSYSWorkbenchsoftwareforasmallwindturbinewerefluidanalysis,structuralanalysisandmodalanalysis,findthefanatacertainspeedandwindpressuredistribution,thestressdistributionandthenaturalfrequency,obtainedtheweakestlinkinthefanblades,thestrengthoftheconclusionsneedtobestrengthened.

First,theuseofPRO/Esoftwareforthree-dimensionalsolidmodelingfans,andimportedintotheANSYSWorkbenchinpretreatment,andthenmeshedandfluidanalysis,findthefanpressuredistribution.

Again,forthesecondgeometrypreprocessing,meshing,importfanpressuredistribution,structuralanalysis,calculatethestressdistribution.

Finally,basedonstructuralanalysisofmodalanalysis,modalanalysisoffangetvibrationmodeandnaturalfrequency,andtheresultswereanalyzedtoassess.

Keywords:

FEMFanStructuralanalysisFluidanalysisModalanalysis

第一章引言

1.1有限元法及其基本思想

有限元方法就是把一个原来是连续的物体剖分成有限的单元，且它们相互连接在有限的节点上，承受等效的节点载荷，并根据平衡条件在进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合起来，成为一个组合体，在综合求解。

由于单元的个数有限，节点的个数也有限，所以这种方法称为有限元法。

有限元法解决问题是物理模型的近似，而数学上不做近似处理。

其概念清晰，通用性与灵活性兼备，能灵活妥善处理各种复杂问题。

1.2本文研究问题及定义分析

本文研究的是宁波风神风电集团有限公司的一款300W小型风机的性能分析，其主要参数如表1-1所示：

表1-1风机参数

额定功率

W

风轮直径

m

塔高

m

启动风速

m/s

额定风速

m/s

叶片材料

额定转速

rpm

300

1.5

2.4

1.5

12

铝合金

400

结构分析主要是指分析结构在给定静力载荷作用下的响应。

在风机工作时，风机叶片在风速的影响下会转动起来，风机会受到迎风压力，因此需要对风机进行结构分析，研究风机的叶片、塔架等抗弯强度是否符合要求，而分析需要的静力载荷来源需要由流体分析来求解出来。

流体分析主要是用于求解模型在流动介质中的压力分布情况，为其他分析提供载荷基础。

。

另外在实际环境中，风机运行时会往往受到随机振动的影响，要避免这类问题，需要研究风机的固有特性，需要对风机进行模态分析。

本文难点主要是分网和流固耦合计算。

流固耦合分析是研究固体变形在流场作用下的各种行为和固体形变对流场的影响，本文主要运用到流体作用下的固体变形问题，属于单向流固耦合，主要是把流体域的压力计算结果加载到结构分析中。

模态分析主要用于确定结构的固有频率和振型，也可以对有预应力的结构进行模态分析，模态分析可以在产品设计之前预先避免可能引起的共振。

模态分析中一般并不需要施加载荷，但是由于风机在流体中具有预应力，因此需要在静态结构分析之后，把应力结果加载到风机表面，再进行模态分析。

1.3主要工作流程

在做有限元分析之前，需要对风机的有限元建模分析系统制定一个有效的整体流程图，以指导后面有限元分析工作能够有条不紊的进行，整体流程图大致如图1-1所示：

图1-1风机性能分析整体流程图

1.4风机模型预处理

由风机性能分析流程图可知，进行分析的第一项准备工作是导入三维几何模型。

风机模型是根据上述公司的风机尺寸资料借助Pro/E建立好模型后，导入到ANSYSWorkbench里面的，然后另存为更符合ANSYSWorkbench要求的.agdb模型文件。

将模型导入ANSYSWorkbench的方法为在左侧Toolbox中选择Geometry直接拖动到右边空白区内，然后选中A2栏，在右键弹出的菜单选择Browse，选中要导入的几何体。

导入模型如图1-2所示：

图1-2风机模型

第二章风机的流体分析

2.1流体分析的预处理

在前面已经介绍过如何把PRO/E三维几何模型导入到ANSYSWorkbench中。

在Workbench的Toolbox的Analisyssysterms中选择FluidFlow（CFX），直接拖动到Geometry的A2栏即可，结果如图2-1所示：

图2-1建立FluidFlow

2.2流体分析的网格划分

因为要进行流体分析，所以需要先将固体风机抑制，双击B3栏（Mesh）进入到Mechanical中进行网格划分，选择除旋转域（rotair）和静止域（air）外的所有部件，即整个固体风机，再在右键弹出的快捷菜单中选中抑制（SuppressBody）。

抑制结果如图2-2所示：

图2-2流体分析结构抑制

一般网格划分过程主要步骤是：

（1）设置物理场和网格划分方法；

（2）定义整体网格设置，包括定义单元大小、膨胀层等；

（3）插入局部网格设置，包括定义网格大小、细化网格等；

（4）预览生成网格；

（5）检查网格质量，如果不符合要求，重新划分网格。

划分网格之前必须首先确定物理场的类型，即是结构场、流体场、显示动力学还是电磁场，风机分析主要用到的是前三种。

物理场需要手动设置的是流体分析中设置求解器类型，其他分析的物理场都是默认设置。

流体分析的物理场设置步骤是在Mesh下的Defult中设置物理场（PhysicsPreference）为流体场（CFD），求解器（SolverPreference）为CFX，设置如图2-3所示：

图2-3设置物理场及求解器

好的网格是使求解结果更加准确的基础，一般网格划分需要先进行整体网格划分设置，再进行局部网格细化设置。

设置合适的全局网格参数可以减少后面具体网格参数的设置工作量，一般主要设置网格尺寸函数、平滑度、膨胀层参数等。

尺寸函数控制主要的极度弯曲和表面相邻区域的网格增长及分布，具体需要设置的主要是网格的最小和最大尺寸；平滑度是考虑周边节点，通过移动节点位置提高网格质量；膨胀层参数用于调整网格沿边界的法向拉伸还提高网格精度。

流体分析的尺寸函数和平滑度的设置过程是在Sizing中设置网格单元最大最小尺寸和平滑度（Smoothing），设置参数如图2-4所示：

图2-4网格划分尺寸控制和平滑度的设置

局部网格设置主要包括局部结构的网格划分方法、网格大小等参数。

网格划分方法主要有自动划分法、四面体法、六面体法、扫掠法等方法，自动划分法自动检测实体，对可以扫掠的实体采用扫掠方法划分六面体网格，对不可以扫掠的实体采用四面体网格划分方法；四面体法又分为采用基于TGrid的协调分片算法和基于ICEMCFD的独立分片算法，协调分片算法适用于质量好的CAD几何模型，独立分片算法适用于需要清除小特征的质量差的几何模型，风机的流体分析采用后者；六面体法生成非结构化的六面体域网格，主要采用六面体单元，可以减少单元数量，加快求解收敛，常用于结构分析。

流体分析中局部设置主要对旋转域的网格尺寸进行设置，设置参数如图2-5、2-6所示：

图2-5旋转域网格尺寸控制设置图2-6旋转域网格划分方法设置

最后，进行网格的划分，在划分后检查网格质量。

好的网格应具有足够的网格分辨率、合适的网格分布及好的网格质量。

ANSYS中可以使用不同的网格质量度量标准来量化网格质量，网格质量评价标准主要有单元质量、倾斜度等，单元质量是基于给定单元的体积与边长的比值计算模型中的单元质量因子，它提供综合的质量度量标准，范围为0~1,1代表完美的正方体或正方形，0代表单元体积为零或负值；倾斜度是基本的单元质量检测标准之一，最优值为0，最差值为1，一般0.25以下为优秀，0.25~0.5为好。

流体分析的网格划分质量结果如图2-7、2-8所示：

图2-7网格质量检查图2-8网格倾斜度检查

从图中可以看出，网格质量平均为0.83，倾斜度平均为0.22，网格划分的质量很好。

网格划分效果如图2-9所示：

图2-9流体分析网格划分结果

2.3流体分析的边界条件定义

为了方便后续操作，故对相关面先进行命名。

首先对Z坐标最大值处的面命名为inlet，代表风的进口面；同理，对Z坐标最小值处的面命名为outlet，代表风出口面；对底面命名为bottom；将静止域（air）剩余3个面统一命名为symm；将旋转域（rotair）的所有外表面命名为outface；将旋转域（rotair）的所有内表面命名为bladehub；将旋转域（rotair）与静止域（air）的交界处表面命名为interfaceofair；将静止域（air）与固体风机相重合的面命名为FSI。

双击B4栏，进入流体分析的边界定义。

首先设置风机转速，选中树形窗口中的Expressions项，再右键插入Expression，在弹出的对话框中输入名称RPM，单击OK按钮，然后在详细栏中输入150[revmin^-1]并单击Apply按钮。

按照同样的方式设置风的入口速度Windspeed为10[ms^-1]。

结果如图2-10所示：

图2-10转速与风速设置

然后选择表达式中的RPM和Windspeed，在右键弹出的快捷选项菜单中选择UseasWorkbenchInputParameter，把两个参数作为输入参变量。

设置静止域（air）、旋转域（rotair）和动静交界面处（DomainInterface1）的参数如图2-11、2-12、2-13所示：

图2-11静止域参数设置图2-12旋转域参数设置

图2-13动静交界处参数设置

建立空气入口的边界条件，选中静止域（air）在右键弹出的菜单选择insert项的Boundary，在弹出的对话框中输入名称为inlet，单击OK，在BasicSettings中设置边界类型为Inlet，位于inlet面上，在BoundaryDetails中设置输入进口流速是Windspeed。

结果如图2-14所示：

图2-14进口风速参数设置

同样，设置空气出口的边界条件outlet、对称边界条件symm、底面bottom、面bladehub、面FSI参数如图2-15~2-19所示：

图2-15出口参数设置

图2-16对称边界参数设置图2-17底面参数设置

图2-18面bladehub参数设置图2-19面FSI参数设置

最后，在左侧树形窗口中选择SimulationControl下，设置求解执行控制（ExecutionControl）参数如图2-20所示：

图2-20求解执行参数设置

2.4流体分析的结果求解及分析

流体分析的bladehub面压力分布结果如图2-21所示：

图2-21流体分析压力求解结果

从图中可以看出，迎风表面的压力一般偏大，呈对称分布，而风机叶片轮毂处的压力最大，符合一般的实际情况。

第三章风机的结构分析

3.1结构分析的预处理

首先新建结构静态分析项，选中B5栏（Solution），然后在右键弹出的菜单中选择TtansferDataToNew下的StaticStructural。

结果如图3-1所示：

图3-1新建结构分析

双击C4栏（Model），进入Mechanical界面，对流体域进行抑制。

选择旋转域（rotair）和静止域（air）部件，在右键弹出的快捷菜单中选中抑制（SuppressBody）。

抑制后结果如图3-2所示：

图3-2结构分析抑制结果

3.2结构分析的材料定义

在Procject界面双击C2栏，进入材料选择界面，在最右上角的

中选择GeneralMaterials，将铝合金（AluminiumAlloy）材料添加到工程材料库中。

工程材料如图3-3所示：

图3-3工程材料库设置

返回到Procject界面，双击C4栏（Model），进入到Mechanical界面下，在Geomtry中选择叶片（wing），设置材料为铝合金（AluminiumAlloy）。

设置材料如图3-4所示：

图3-4叶片材料设置

同样设置另外两个叶片材料为铝合金（AluminiumAlloy），其他结构材料为默认的结构钢（Structuresteel）。

3.3结构分析的网格划分

结构分析的网格划分采用六面体域网格（HexDominant），它主要采用六面体单元，可以减少单元数量，加快求解收敛，并在一定程度上可以提高分析精度。

在导航树中选择Mesh，在右键弹出的菜单中选择Insert下的Method，选中整个固体风机，在下面的明细窗口中的Method栏选择六面体域网格（HexDominant）。

如图3-5所示：

图3-5网格划分方法设置

在Mesh下面的明细出口中，设置网格整体划分的平滑度、最大最小尺寸等参数如图3-6所示：

图3-6网格划分整体控制参数设置

在导航树中选择Mesh，在右键弹出的菜单中选择Insert下的Sizing，选中除风机塔架和叶片外的部分，在下面的明细窗口中设置其网格划分平均尺寸为40mm，操作结果如图3-7所示：

图3-7塔架和叶片外网格尺寸控制

同样的方法，设置塔架和叶片的网格平均尺寸分别为200mm和50mm，设置参数如图3-8、3-9所示：

图3-8塔架网格尺寸参数设置

图3-9叶片网格尺寸参数设置

点击Update进行网格划分，并检查最终网格划分质量。

划分结果为节点数293283个，网格为65888个，网格质量平均为0.8，符合要求，可以进行求解。

网格划分数量和质量如图3-10所示，网格划分结果如图3-11所示：

图3-10网格划分数量和网格质量

图3-11网格划分结果

3.4结构分析的边界条件定义

在导航树窗口中选中StaticStructural，选择Supports下的FixedSupport，选中塔架最底下的面为固定约束面。

在在导航树窗口中选择ImportedPressure项并插入Pressure，选中风机叶片的所有外表面，在下面的明细窗口中选择压力来源为位于bladehub面上的压力，设置参数如图3-12所示，叶片压力如图3-13所示：

图3-12叶片压力来源参数设置

图3-13叶片压力图

同样的方法，设置除风机叶片以外的外表面压力源为位于FSI面上的压力，设置参数如图3-14所示，叶片压力如图3-15所示：

图3-14风机除叶片外的压力来源参数设置

图3-15风机除叶片外的压力图

3.5结构分析的结果求解及分析

在导航树窗口中选中Solution，选择Stress下的Equivalent（von-Mises），在下面的明细窗口中设置最大应力（Maxinum）为输出量，设置如图3-16所示：

图3-16设置添加量为输出量

单击Solve进行结构分析求解，求解结果如图3-17所示：

图3-17结构分析结果

从图中可以发现，叶片根部的变形比较大；同时，塔架的直径改变处的应力也比较大，这些位置的强度需要相应的注意加强。

第四章风机的模态分析

4.1模态分析的预应力加载

首先新建模态分析项，选中C6栏（Solution），然后在右键弹出的菜单中选择TtansferDataToNew下的Modal。

结果如图4-1所示：

图4-1新建模态分析

双击D5（Setup）栏，进入Mechanical界面，在导航树窗口中选中Modal下的AnalysisSettings，在下面的明细窗口中设置最大求解阶数为10阶，如图4-2所示：

图4-2阶数设置

在导航树窗口中选中Modal下的Solution，选择Deformation下的Total，在下面的明细窗口中设置阶数为1，设置如图4-3所示：

图4-3求解量参数设置

同样方法添加另外9阶的TotalDeformation，添加后如图4-4所示：

图4-4模态分析求解量

4.2模态分析的结果求解及分析

单击Solve求解，求解结果如图4-5~4-15所示：

图4-5固有频率求解结果

图4-61阶求解结果图4-72阶求解结果

图4-83阶求解结果图4-94阶求解结果

图4-105阶求解结果图4-116阶求解结果

图4-127阶求解结果图4-138阶求解结果

图4-149阶求解结果图4-1510阶求解结果

从图中可以看出，风机的固有频率在3阶和7阶处发生了较大变化，分别为28.2Hz和62.4Hz；观察1、2阶图不难发现，低阶模态下的共振变化主要发生在风机配重、轮毂和叶片上，在高阶模态下的共振变化主要发生在风机叶片上，因此，风机叶片的强度大小至关重要，在某种程度上它影响着风机的使用寿命。

第五章总结

前面几章详细介绍了风机性能分析的具体方法与步骤，有限元模型通过三维模型导入的方式获得。

网格划分主要采用自由网格划分、四面体网格划分和六面体网格划分方法，流体分析中旋转域采用四面体网格划分，其他结构采用自由划分；结构和模态分析的网格划分主要采用六面体网格划分方法。

最终可知风机工作性能受到风吹的应力影响，需要加强叶片的根部和塔架直径过渡处的强度。

有限元分析课程为研究生必修课程，为机械行业中的必学必懂的基本技能，在以后的工作应用中，尤其是产品的开发过程中，有限元分析发挥着无可比拟的作用，所以我认为有限元课程相当的重要，对将来的发展有很大的帮助。

通过本次课程设计的完成，我掌握了有限元分析流程的一般步骤、方法、和技巧，但同时也发现这门课程的应用性比较强，主要是用软件来分析实体，在运用中会遇到各种各样的问题，关键是要能够沉着应对、冷静分析问题原因，这样才能快速找到问题所在并最终解决问题。

另外，我认为有限元分析是一种设计工具，自己多进行实际的操作，在实践中不断的掌握、不断的提高，并能够积累经验，掌握软件所要求的操作，使之成为自己的一技之长，能够熟练的运用软件解决实际问题，能为自己未来的科研学习和工作打下扎实的基础。

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