基于ansys的风机叶片动力学分析-修改

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1、基于Ansys的风机叶片动力学分析（郑州大学化工学院，郑州市科学大道100号450001）摘要：本文对R40轴流风机的动叶片进行了有限元建模，并运用ANSYS12.0软件对其进行了动力学分析，得到了叶片在静止和工作转速下的前10阶固有频率。结果表明：R40轴流风机在额定转速下工作，运行稳定，不会发生共振；叶片的固有频率随转速的增加而变大；关键词：风机叶片；有限元；动力学；模态分析DynamicCharacteristicsAnalysisOfBladeOfFanBasedOnAnsysZhouJun-jieLiuBoLi

2、uLiang（SchoolofChemicalEngineeringZhengzhouUniversity,KexueRoadNO.100,Zhengzhou450001）Abstract:Inthispaper,thefiniteelementmodelofbladeofR40axial-flowfanhasbeenbuilt,usingthismodel,thedynamiccharacteristicsofbladehasbeenanalyzedwithAnsyssoftware.Wecangetthefirst1

3、0naturalfrequenciesofbladeunderratedandresonantoperatingconditions.TheresultsshowthatR40axial-flowfanrunsstablelyunderresonantoperatingconditions,resonancedoesnotoccur;Thelargerrotationspeedcanincreasethenaturalfrequenciesofblade.Keywords:Blade;FiniteElement;Dyna

4、mic;modalanalysis1前言叶片作为叶轮机械重要的部件，其结构设计的合理与否直接影响到整机的性能，而叶片性能的优劣主要体现在静、动态特性上面[1]。叶片在工作时会受到自身运动过程中产生的离心力以及稳态和非稳态的气流力作用，其中非稳态的气流力是激振力的主要来源。如果叶片在激振力作用下发生弯曲和扭转变形，这些变形将会导致叶片上气动力的改变，当气动力和机械振动之间的相互作用是减弱的，则运动稳定，否则就会发生振动，出现不稳定的运动。叶片的振动将产生较大的动态应力，导致叶片的疲劳，甚至断裂[2-4]。因此，对风机叶片的

5、结构动力学特性进行分析具有十分重要的意义。结构动力学特性分析主要就是研究风机叶片的固有频率和振型[5]，从而分析预计其在外载荷作用下的动力学响应，使风机叶片的运动频率与其固有频率相互错开，避免发生共振。本文应用有限元分析软件Ansys对R40轴流风机的动叶片进行了计算，得到了叶片各阶固有频率和振型，以及在不同频率下的响应位移和响应应力。2叶片有限元模型与网格划分2.1研究对象本文研究对象为R40风机叶片[6]，叶片选用CLARK-Y翼型，相对厚度为12%，工作时的转速为1440rpm。叶片各控制截面的参数如表1所示。叶片

6、材料为玻璃纤维增强塑料，弹性模量为Mpa，密度2600kg/m3，泊松为0.3。表1叶片各控制截面参数参数控制截面0.3560.40.50.60.70.80.91.0弦长C/m0.13920.12800.12230.11030.09770.08690.07950.0724扭角32.2°25.0°22.3°18.4°15.7°13.8°12.3°11.1°对于风机的叶型是通过多个截面的参数来定义的，通过曲面连接得到扭曲的风机叶型形状。所以在建模过程中，采用了由点到线再到面，最后到体的建模方法[7]。在Solidworks中

7、建立叶片模型如图1所示。图1风机叶片模型图图2叶片离散后的网格图2.2叶片有限元方程本文选用了Solid186单元对结构进行了离散（离散后的网格如图2所示），Solid186是一个高阶3维20节点固体结构单元，具有二次位移模式可以更好的模拟不规则的网格。单元通过20个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。Solid186可以具有任意的空间各向异性，单元支持塑性、超弹性、蠕变、应力钢化以及大变形和大应变能力，图3为solid186单元的结构。图3solid186单元结构叶片在离心力场下被离散后的平衡方程为[

8、8]：（1）式中，为单元的应变矩阵，为单元内点的应力向量，为单元形函数矩阵，为单元单位体积内的惯性力向量，为单元单位面积上的压力，为单元的节点集中力载荷向量。叶片的有限元方程为：（2）式中，分别为叶片的总质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵以及离心力质量矩阵。2.3网格独立性考核在微分方程离散的过程中，不可避免的会引入离散误