ansys风机叶轮刚强度分析
某离心通风机叶轮的ANSYS建模及应力分析
2015 届毕业设计论文题目9-19型某离心通风机叶轮的ANSYS建模与应力分析专业班级学号学生指导教师黄忠文指导教师职称副教授学院名称机电工程学院完成日期：2015年6月11日9-19某型离心通风机叶轮的ANSYS建模与应力分析ANSYS modeling and stress analysis of 9-19centrifuge fanimpeller学生指导教师黄忠文摘要风机在各个行业的应用十分广泛，几乎涉及到国家开展生产的所有领域，而叶轮那么是风机的关键部件。
整个风机的运作过程那么是通过叶轮的机械转动，形成气压差，引起气流的定向流动，从而到达通风的效果。
由于风机应用广泛工作环境千变万化，对风机主要是叶轮的要求就进一步增强了。
一个合格的叶轮必须具有良好的综合性能，本文那么尝试对9-19型某离心通风机叶轮的ANSYS建模与应力分析。
为了便于对离心通风机叶轮进展构造静力分析，进而对1-19型某离心通风机构造进展了合理的研讨，适当优化，本文建立了一个简单，合理，有效的叶轮有限元分析模型，对于离心机叶轮而言，真是构造相当复杂，本文中对各部件做了合理的简化，确定了叶轮的构造尺寸及各局部的材料常数，并应用于整体模型的建立中。
建立有限元模形式时，有限单元的选择非常重要，合式的单元不仅使建模，计算方便，而且能够更加真实的模拟构造的受力，变形情况，本文侧重对叶轮的建模与有限元分析，对模型进展了合理的简化，如螺栓省略了，模型一体化以及不计重力对叶轮的影响。
关键词：离心通风机叶轮ANSYS有限元AbstractFans are widely used in various industries, almost involves all areas of the national development and production, and the impeller is the key ponents of the fan.The whole operation process of the fan is through the rotation of the mechanical impeller, formation pressure difference, cause the directional flow of air flow, so as to achieve the effect of ventilation.Widely used because of the fan working environment, requirements for fan is mainly the impeller is further enhanced.A qualified impeller must have good prehensive performance, this paper try to 9-19 ANSYS modeling and stress analysis of a centrifugal fan impeller.In order to carry out structural static analysis of centrifugal fan impeller, and a centrifugal fan in type 1-19 structure has carried on the rational discussion, appropriate optimization, this paper set up a simple, reasonable and effective finite element analysis model of impeller for the centrifugal impeller, it's structure is quite plicated, this article made a reasonable simplification, the ponents to determine the structure of the impeller size and material constant of each part, and applied to setting up the model of the whole. Establishing finite element model form, the choice of the finite element is very important, shaped unit not only make the modeling and calculation is convenient, but also more realistic simulation of the structure of the stress, deformation, this paper focuses on the modeling and finite element analysis of the impeller, to the reasonable simplified model, such as bolt is omitted, model integration, and regardless of the gravity effect on the impeller.Key words ：Centrifugal fan Impeller ANSYS Filet element目录摘要1Abstract2目录4第一章绪论71.1课题背景71.1.1行业现状71.1.2课题研究的意义8第二章关于风机92.1 风机的应用92.2风机的构造与分类102.3 离心机的工作过程11第三章9-19型离心通风机的三维图与平面图123.1 9-19型离心通风机平面图123.2 1-19型离心通风机叶轮三维图13第四章9-19型某离心通风机叶轮的建模154.1 绘制上圆盘154.1.1 创立草图154.1.2 绘制草图154.1.3 旋转成体164.2绘制下圆盘174.2.1 创立草图174.2.2绘制草图174.2.3旋转成体174.3绘制叶片184.3.1 创立草图184.3.2 绘制草图184.3.3 拉伸成体194.3.4 布尔运算204.4 打孔与螺栓214.4.1 创立草图214.4.2 绘制草图214.4.3 打孔214.5 求和22第五章叶轮的ANSYS有限元分析235.1 有限元的根本思想235.1.1 有限元构造分析的分析流程245.1.2 有限元法的优缺点26第六章离心通风机叶轮的ANSYS分析276.1 UG叶轮模型导入到ANSYS276.2 离心通风机叶轮的有限元分析286.2.1 设立工作目录、文件名、标题和分析模块296.2.2选择单元类型296.2.3 设置材料属性306.2.4划分网格306.2.5 施加约束316.2.6 施加荷载316.2.7 求解316.3 后处理316.3.1总位移云图316.3.2梅森应力图326.3.3应力强度326.3.4环向位移336.3.5环向应力336.3.6径向变形图346.3.7径向应力分布图35 第七章结论36参考文献37致38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。
基于Ansys的风机叶片动力学分析-修改
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Dynamic Characteristics Analysis Of Blade Of Fan Based On AnsysZhou Jun-jie Liu Bo Liu Liang（School of Chemical Engineering Zhengzhou University, Kexue Road NO.100 , Zhengzhou 450001） Abstract: In this paper, the finite element model of blade of R40 axial-flow fan has been built, using this model, the dynamic characteristics of blade has been analyzed with Ansys software. We can get the first 10 natural frequencies of blade under rated and resonant operating conditions. The results show that R40 axial-flow fan runs stablely under resonant operating conditions, resonance does not occur; The larger rotation speed can increase the natural frequencies of blade.Key words: Blade; Finite Element; Dynamic; modal analysis1 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]。
原创的ANSYS教材10叶轮模态
第N章风机叶轮模态分析案例下面介绍某核电厂用空调风机叶轮模型使用ANSYS WOKBENCH 14.0 机械设模块模态分析功能进行分析，演示其基本操作过程。
1.5.1案例介绍模态分析的经典定义是：将线性定常系统振动微分方程组的物理坐标变换为模态坐标，使方程解耦成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程以便求出系统的模态参数。
坐标变换的变化矩阵为模态矩阵其每列为模态阵型。
模态分析的最终目标在于改变机械结构系统由经验、类比和静态设计方法为动态、优化设计方法；在于借助于实验与理论分析相结合的方法对已有结构系统进行识别、分析和评价，从中找出结构系统在动态性能上所存在的问题，确保工程结构能安全可靠及有效的工作；在于根据现场测试的数据来诊断和预报振动故障和进行噪声控制。
通过这些方法为老产品的改进和新产品的设计提供可靠的依据。
系统各个阶模态对相应的贡献量或者权系数是不相同的，它与激励的频率结构有关。
一般低阶模态比高阶模态有较大的权系数。
对于实际结构而言，我们感兴趣的往往是它的前几阶或者十几阶模态，更高阶的模态常常被抛弃。
这样尽管会造成一定的误差，单频相应函数的矩阵阶数将大大减少，使计算量大为减少。
实践证明这是完全可取的，这也是模态分析的一大优点，这种处理方式成为模态截断。
可以使用质量点：质点在模态分析中是只有质量（无硬度）的存在，其会降低结构自由振动的频率。
材料属性：杨氏模量，泊松比，和密度是必需的。
由于在结构上没有激励作用，因此振型只是与自由振动相关的相对值。
此次我们使用某核电厂用空调风机的叶轮部件进行模态分析查看其前5阶阵型为结构改进与动力学分析做准备。
1.5.2导入模型(1) 我们使用实际生产图的模型进行分析。
在模型简化上仅仅删除了轮毂与轮盘连接用的铆钉，其他部分未经简化，其与实际模型完全相同。
首先打开SW，并打开模型文件。
如图-1以及图-2所示。
图-1 打开SW 图-2打开模型文件。
（2）打开ANSYS WORKBENCH 程序接口导入模型文件。
MW 级风力发电机轮毂强度分析
图 4 载荷输入模型 Fig14 Model of loading on BLADE
表 1 工况 载荷表 Tab11 Working condition and loading
最大载荷 Fx Fy Fz
工况
118 i 611 e 115 i
叶片 1 14311
15417 52113
叶片 2 14415 - 18315
体单元 ,叶片与轮毂连接面的中心与螺栓中心及 螺栓长度用多点约束梁单元连接.
应用有限元素法 ,静力分析方程可归纳为
KU = F
(1)
式中 : K ———结构刚度矩阵 ;
U ———位移向量 ;
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Mz
711 h - 14918 - 14819 - 15017
引起应力集中. 因此轮毂设计的好坏将直接影响 到整个风力发电机的正常运行和使用寿命 ,有必
3 有限元分析
要对轮毂进行受力分析以确定轮毂各个部位应力 分布 ,为轮毂的优化设计提供依据[6 - 7 ] .
311 有限元模型 轮 毂 有 限 元 模 型 的 建 立 是 通 过 SOL ID2
时仿真器 ,模拟出风力机在各种不同的运行情况 下叶片及轮毂的动态性能 ,进而筛选出载荷计算 报告中的极限值作为应力初始值 ,对沈阳工业大 学研制的 1 MW 级风力发电机的轮毂进行有限元 分析 ,获得了比较好的效果 ,同时缩短了设计周 期 ,降低了设计费用.
1 结构及载荷简介
本文以 1 MW 机型 SU T21000 的轮毂部分为 研究对象 ,分析轮毂的强度及轮毂与叶片间连接
CAE-ANSYS风机应用介绍
轴流式叶轮结构分析
混流式叶轮结构分析
流道结构分析
蜗壳强度计算分析
OUTLINE
•ANSYS的主要技术特点 -ANSYS/CFX的主要技术特点
烟气含量：
CO:42.37%
CO2:9.05% N2:8.65% O2:0.214% H2O:39.716%
计算网格（网格总数：170万）
优质的附面层网格
计算网格（网格总数：170万）
出口压力：－18572 Pa
压力分布
压力分布
流线
流线
流线
速度矢量
速度矢量
动画
•鼓风机分析实例—叶轮结构分析
ANSYS风机应用介绍
OUTLINE
•风机研发中的主要技术问题 •ANSYS在风机中的应用实例 •ANSYS的主要技术特点 •总结
OUTLINE
风机研发所遇到的主要技术问题
？
叶轮设计 流道设计 流场问题 压力场问题 高温问题
装配
叶轮动态特性 转子动特性
启动过程模拟 叶轮的强度 振动与疲劳
间隙过盈分析
叶轮结构分析
叶轮上最大应力出现在叶轮背面（即没有叶片的一侧），幅值为367MPa
叶轮结构分析
叶轮位移分布
叶轮内表面位移分布
考查叶轮是否与旋转轴分离关心的是叶轮内表面的径向位移分布，由上图可以 看出径向最小位移为0.0217mm,径向最大位移为0.144mm,均比过盈量小，所以 不发生脱离现象
压气机叶轮强度、模态、温度场分析
叶轮材料选择 结构形式优化 提高效率、性能
提高耐久性 安全可靠性评估
降低成本 •••••••
OUTLINE
•对于风机叶轮、流道设计，采用ANSYS/CFX进行 CFD分析，准确模拟流体的流动状况、流场分布 、压力分布，在高温情况下，可以模拟系统的温度 分布。
基于ANSYS的风机轮毂的强度分析及优化设计_孟春玲
2
轮毂的静强度分析
在对轮毂优化之前， 首先要保证其已经满足强度要求并
且有比较大的优化空间 ， 故需对其强度校核。 而轮毂是大型 钢结构实体， 体积重量大， 结构和载荷工况复杂， 无法采用简 单的工程算法对其应力应变进行精确的计算校核 。 有限元 方法作为一种数值计算方法 ， 不仅能够大幅度提高计算精 而且降低设计与制造成本 、 节省时间， 被广泛应用在航 度， 空、 机械等多个工程领域 2． 1
1
引言
风能是可再生能源中发展最快的清洁能源 ， 也是最具有
之间的能量转化系统
［2 ］
。风机叶片旋转时会产生气动载荷 ，
同时其惯性力、 离心力和重力都会通过叶片根部传递至轮 毂， 加之其自身的重力和结构复杂性 ， 在各种静载荷和交变 轮毂与叶片， 与法兰的连接处很容易引起应 载荷的作用下， 轮毂连接风机主轴， 其重量产生 力集中和疲劳破坏。 另外， 的弯矩通过主轴作用于塔筒 ， 对塔筒的强度和寿命有很重要 的影响。因此轮毂作为风电机组的重要组成部件 ， 研究的问 减轻轮毂的重量对以提高 题在于如何改善轮毂的结构设计 、 风电机组的整体性能 求。 考虑到轮毂重载荷对整机强度和寿命所带来的负面影 响， 前人做过采用变截面设计来减轻轮毂重量的优化设计 ，
即通过减少轮毂壁厚的方法达到减轻重量的目的 。 但该方 案没有进行疲劳寿命分析 ， 并且变截面设计会增加轮毂的加 工难度， 因此不宜实施。 本文针对前人方案没有疲劳寿命分析和其加工困难的 问题， 以减轻轮毂自重为目标 ， 对风机轮毂不仅进行了静强 度分析， 也进行了疲劳寿命分析 ， 通过对比分析多个计算结 优化方案在满足强度和疲劳寿命要求 果得到最佳优化方案， 的前提下， 不仅减轻轮毂的自重， 而且其最大应力值比未优 化之前有所降低。从而提高了主轴、 塔筒以及风电机组整体 结构的强度性能， 同时钻孔设计简单易实施 ， 因而更具有实 际生产的可行性。
浅谈用ANSYS进行离心通风机叶轮强度分析
浅谈用ANSYS进行离心通风机叶轮强度分析作者：胡丽刚王志军来源：《工业设计》2017年第01期摘要：在通风机中，ANSYS基于长期的有限元理论与实践工程经验上发展起来的。
对于风机我们使用ANSYS软件进行结构强度分析能够更贴近实际工况值，本文结合4-2X75No6E 型离心通风机叶轮的强度分析过程进行了论述。
关键词：离心通风机叶轮； ANSYS；强度分析1 概述离心通风机是较为常见的通风机械，有一些场合用的通风机的安全性要求很高，比如矿井通风机、核电站的核级风机，这些场合的风机除了要满足气动性能外，对运行安全性有着更高的要求，尤其是核电站中使用的核级风机，在以往的设计和使用情况来看，核级风机的叶轮在设计时的安全系数通常在不加载地震激励的情况下至少应取n≥4，这样在做抗震试验时才能满足要求，不出现影响安全的情况发生。
因此这就需要我们在设计阶段对一些关键部件进行强度计算，对于离心风机来说，叶轮为旋转部件，也是核心部件，运行中叶轮的安全性最为重要。
叶轮的计算我们以前只能用传统的力学计算来验证。
随着计算机技术的发展以及有限元软件的大量应用，其计算更能接近真实工况，计算也更为可靠和快速。
因此本文采用有限元分析的方法，验证其在额定全压及离心力作用下，对离心风机叶轮中的部件叶片、轮盘、轮盖的应力和应变进行计算分析，看所做的设计方案是否能够满足相应的强度要求。
2 风机设计参数3 分析工具大型通用有限元计算软件 ANSYS 14.5。
4 有限元模型本文采用基于有限元方法的大型通用数值模拟软件进行模拟分析。
由于有限元方法存在离散误差，为了将该部分的误差影响尽量避免，在分析前首先对原始模型采用不同尺寸的网格进行多次的模态分析，通过查看基频随着网格尺寸逐渐细化的变化规律，在尽量缩减计算规模的前提下，得到合适的网格尺寸。
即结果的网格无关性检查。
然后基于此网格尺寸对模型进行完整的模拟分析。
建立叶轮模型过程中，对模型中容易出现应力集中的叶片与轮盖、叶片与轮盘交界处做圆角处理，避免出现冗余的计算结果，使计算结果更具有准确性。
基于ANSYS的风机轮毂的强度分析及优化设计
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ ：ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｆ ｅｇ ｔ ｏ ｓｄ ｓ ｎ ｆ ｒ ｈ ｎ ｒ ｉ ｅ ｕ ｏｒｔｅ ｐ ｏ ｌ ｍ ａ ａ ｉｂ ｅ ｃｏ ｓ ｓ ｃ Ｉ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｉｈ ｓ ｅ ｉ ｏ ｅｗｉ ｄ ｔ ｂ ｎ ｓｈ ｂ，ｆ ｒ ｂ ｅ ｔ ｔ ｒ ｌ ｒ ｓ － ｅ — ｗ ｌ ｇ ｔ ｕ ｈ ｈ ｖ ａ ｔ ｎ ｄ ｓｇ ｓ ａ ｅ ｄｆ ｃ ｌ ｔ ｒｄ ｃ ｎ ｏ ｓｎ ｔｈ ｖ ａｉｕ ｉ ａｙ ｉ ，ｔ ｉ ｐ ｐ ｒｐ ｅ ｅ ｔｄ ａ ｗ ｙ ｏ ｒｌ ｎ ｎ ｉ ｅ ｉ ｒ ｉ ｕ ｔ ｏ ｐ ｏ ｕ ｅ ａ ｄ ｄ ｅ ｏ ａ ｅ ｆｔ ｅ ｌ ｅ ａ ｌ ｓｓ ｈ ｓ ａ ｅ ｒ ｓ ｎｅ ａ ｆｄ ｌ ｇ ｏ ｏ ｎ ｉ ｆ ｇ ｆ ｎ ｉ ｉ ｔ ｅ ｍａｎ ｐ ｒ ｏ ｅ ｈ ｂ ｔ ｅ ｕ ｅ ｔ ｅ ｗ ｉｈ ｆ ｈ ａ ｅ １ ｉｓ ，ｔ ｅ ｌｒ ｅ ｓ ａ ｅｆ ｉ ｌｍｅ ｔ ａｙ ｉ ｏｔ ａ ｅ ｈ ｉ ａ ｔ ｆｔ ｕ ｏ ｒ ｄ ｃ ｈ ｅｇ ｔｏ ｅ ｆｎ ｗｈ ｅ ．Ｆ ｒｔ ｈ ａ ｇ － ｃ ｎ ｔ ｅｅ ｎ ｌ ｓ ｓ ｆ ｒ ｈ ｔ ｌ ｉ ｅ ｎ ａ ｓ ｗ ＡＮＳ ｓ ｕ ｅ ｏ ａ ａｙ ｅ ｔ ｅ ｓ ｅ ｇ ｈ ｏ ｈ ｎ ｕ ｂ ｎ ｕ ｎ ｈ ｎ ｔ ｅ ｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ｗ ｓ ｃ ｒｉｄ ｏ ｔｆｒ ｔ ｅ ＹＳ ｗａ ｓ ｄ ｔ ｎ ｚ ｈ ｔ ｎ ｔ ｆ ｔ ｅ ｗｉｄ ｔ ｒ ｉ ｅ ｈ ｂ ａ ｄ ｔ ｅ ｈ ｐ ｉ ａｉ ａ ａｒｅ ｕ ｏ ｈ ｌ ｒ ｍｉ ｏ
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二、载荷及模型描述
载荷条件
取叶轮试验转速7475r/min情况进行计算 情况进行计算 取叶轮试验转速
模型特征
叶轮上共有19个叶片，由于叶片的形状既弯又扭,叶片 叶轮上共有 个叶片，由于叶片的形状既弯又扭 叶片 个叶片 沿长度及高度方向都是变厚度的，模型较为复杂。 沿长度及高度方向都是变厚度的，模型较为复杂。采 实体建模功能， 用ANSYS实体建模功能，可以方便地构造出叶轮的实 实体建模功能 体模型， 体模型，然后进行网格划分
风机叶轮刚强度分析
沈阳鼓风机厂
ANSYS北京办事处
1999.7.23
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一、概述
• 利用ANSYS软件对沈阳鼓风机厂风机叶轮进行了3D强度及刚 度计算，风机叶轮的外形尺寸，及载荷条件参照设计图纸 及标准 • 计算时考虑了以下情况： 叶轮超速试验转速为7475r/min 1、叶轮超速试验转速为7475r/min 2、考查叶轮与轴脱离的条件
R
结果分析及结论
•叶轮在超速试验时离心力很大，应力分布最大 叶轮在超速试验时离心力很大， 叶轮在超速试验时离心力很大 值出现在叶轮背面 •在超速试验时，叶轮内径径向最小位移为 在超速试验时， 在超速试验时 0.0217mm, 而叶轮与轴的紧度为 而叶轮与轴的紧度为0.165mm, 因此 在该转速下， 在该转速下，不会发生叶轮与转轴脱离的现象 •在超转使叶轮内径径向最小位移超过0.165mm 在超转使叶轮内径径向最小位移超过 在超转使叶轮内径径向最小位移超过 时，会发生叶轮与转轴脱离的现象 •利用 利用ANSYS进行叶轮超转刚强度计算分析是 利用 进行叶轮超转刚强度计算分析是 方便且有效的
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叶轮的应力分布
叶轮上最大应力出现在叶轮背面（ 叶轮上最大应力出现在叶轮背面（即没有叶片 的一侧），幅值为367MPa ），幅值为 的一侧），幅值为
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单个扇区应力分布
从上图可以清楚地得到叶轮上应力分布的情况
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叶轮位移分布
由上图可以看出在叶片外缘叶尖位移最大
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叶轮内表面位移分布
考查叶轮是否与旋转轴分离关心的是叶轮内表面的径向位移分 由上图可以看出径向最小位移为0.0217mm,径向最大位移 布，由上图可以看出径向最小位移为 径向最大位移 均比过盈量小， 为0.144mm,均比过盈量小，所以不发生脱离现象 均比过盈量小
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模型采用SOLID95单元进行划分 单元进行划分 模型采用 整个模型网格单元数为73055 整个模型网格单元数为
节点数为148048 节点数为
自由度数为444144 自由度数为
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叶轮的实体模型
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叶轮的有限元模型
R
三、结果概况
考虑叶轮在试验转速下的静力计算， 考虑叶轮在试验转速下的静力计算，得到应力及位移分 布，分析在该转速下是否发生叶轮与转轴脱离的现象。 分析在该转速下是否发生叶轮与转轴脱离的现象。