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轴流通风机叶片模态仿真及其对气动噪声的影响

来源:海力轴承网时间:2013-10-09

　　一、导言
　　轴流通风机当其叶片较薄以及过度前掠,重心违背叶根截面中间时,较高转速构成的离心力和不稳定进气流构成的叶片升力的改变,很简略激起叶片振荡.一起因为流固耦合,还能够构成叶片的驰振,使叶片提早疲惫损坏,下降风机功率,并发生较大的气动噪声.
　　在叶轮描绘时有必要对其振荡模态进行核算,但叶片叶身曲面杂乱,用经典理论无法求解,因而有必要借用有限元模型来核算.ANSYS是当今比拟有名的有限元剖析软件之一,具有多种物理场的求解功用,能够很方便地进行模态剖析;大型CAD体系软件UniGraphics具有丰厚的曲面外型功用,十分合适于叶轮等具有杂乱曲面实体的外型,建好的实体模型导入ANSYS即可进行模态剖析.
　　二、叶轮CAD模型树立和接口导入
　　1。叶轮根本参数
　　轴流通风机为全体注塑ABS塑料叶轮,叶片数为4,叶片较宽,叶片呈前掠状.作业转速为860r/min,轮毂直径为0。147m,叶轮外径为0。42m.
　　2。几许模型树立
　　经过三坐标丈量仪丈量得到叶片外表型值点,将点阵连接成曲面,并使用软件UG的曲面取舍和缝合功用,将叶片的曲面连接起来.一旦一切曲面被缝合就主动生成以各曲面为鸿沟的实体.
　　叶轮为循环对称布局,为加速有限元剖析进程,使用ANSYS的循环对称剖析功用,对一个90°根本扇区进行求解.建模时使大局坐标系的Z轴与叶轮旋转轴线对应,树立完好叶轮模型,然后用过轮毂轴线两个彼此夹角为90°的两个平面切出1/4的叶轮模型.
　　3。导入几许模型
　　能够将UG模型导入ANSYS的办法有3种,其间根据直接的模型数据交换的两种是:一是经过规范的数据接口将CAD模型数据转入剖析体系;别的是经过ANSYS为UG供给的专用接口直接读入UG的prt文件;第三种凭借UG的GFEMFEA.
　　这里采纳第二种办法,在功用菜单中点击File→Import→UG,再挑选零件文件即可.
　　三、预处置和求解
　　1。输入资料物理参数
　　输入ABS资料的物理性能参数:密度为1。2×10-6g/mm3,弹性模量为2。3MPa,泊松比为0。38.
　　2。挑选单元类型
　　叶轮外表为变厚度杂乱曲面,选用10节点的四面体单元solid92,该单元选用二次位移方式,十分合适对形状不规则的实体区分有限元模型.为了对根本扇区的两个间隔相对90°的轮毂的剖面区分网格,还挑选了一种二维单元:MESH200单元,并设定单元形状参数为“trianglewith6nodes”(MESH200单元是专门用来区分网格,供给网格占位功用,不参与单元运算).
　　3。区分网格
　　先用MESH200三角形平面单元区分轮毂上的两个剖面的一个面上的网格,然后经过MSHCOPY指令将该面上的网格拷贝到别的一个剖面上.对整个模型用solid92单元分网格.
　　4。鸿沟条件加载
　　叶轮经过轮毂的轴心线装置在电机轴线上,叶轮除转变外,其它运动都被束缚.所以使轮毂圆柱装置面的有限元节点X,Z方向的自在度得到束缚(在大局柱面坐标系中).有限单元的节点都有一个坐标系与载荷方向对应,在一般状况下节点坐标系与大局迪卡尔坐标系对应,有必要首要用NROTAT指令变换节点坐标到柱面坐标系中,然后再在节点上加载位移束缚.
　　5。循环对称处置
　　循环对称模态求解是ANSYS对循环对称布局供给的一种特别简化模态求解办法,在求解前有一些特别的预处置.
　　首要,需求挑选叶轮上下两个剖面上的节点并树立两个组集,取名为“Low”和“High”.其次工作CYCGEN的宏在根本扇区上树立第二个扇区,模态剖析就是经过这两个扇区完结的,若是不带参数工作这个指令,它将内部耦合和束缚方程也拷贝到第二个扇区上;若是工作CYCGEN‘,LOAD’的指令,则会把负载也拷贝到第二个扇区上.这里工作CYCGEN,‘LOAD’.
　　6。求解
　　选用BlockLanczos为求解办法,设置求解频率规模为20Hz到200Hz.关于求解循环对称模态,ANSYS也供给了专用的求解宏指令(不行直接用solve指令),该指令格局为：CYCSOL,NDMIN,NDMAX,NSECTOR,LOW
　　各参数意义如下:
　　NDMIN、NDMAX:核算的上下节径规模,NDMIN最小为0,NDMAX对偶数最大可取n/2,对奇数最大可取(n-1)/2.
　　NSECTOR:循环对称的扇区数,这里为4.LOW:较低视点剖面上节点构成的组集称号.
　　该指令对应菜单途径:MainMenu>Solution>ModalCyclicSym.
　　输入CYCSOL,0,2,4,LOW进行求解.
　　四、仿真成果与实验成果的对照
　　实验是在叶轮装置状况下经过锤击法进行的,支架刚度很大,疏忽支架的影响,以为布局在20～200Hz规模内的振荡模态频率由叶轮决议.实验得到的叶轮模态频率值为58。17Hz,83。38Hz,88。69Hz,154。8Hz;仿真得到的模态频率值约为62Hz、80Hz、88Hz和152。2Hz.实验检测得出的频率与仿真成果对应联系较好,因而彼此得到了验证.因为振型实验比拟杂乱,所以没有进一步作振型实验,后边将使用仿真的数据来调查振型.
　　五、思考预应力和旋转软化
　　在实在状况下叶轮是运动的,因为离心力和气动载荷的影响,叶轮发生拉伸变形,模态有能够与停止状况有很大不一样,所以有必要予以思考.影响旋转件频率改变的一种缘由是因为离心力对叶片运动发生的预应力的影响,构成了叶轮刚度的增大,使工作状况下模态频率升高.
　　另一种缘由:旋转软化,旋转软化使模态频率下降.其原理能够用一个简略的绷簧-质量旋转体系阐明,绷簧垂直于旋转轴,当绷簧刚度很高而旋转加速度很小时,以为绷簧变形很小.
　　疏忽绷簧变形对质量块向心加速度的影响,树立如下平衡方程:
　　kx=Mωs2r
　　(1)式中k 绷簧刚度
　　x 脱离平衡方位的间隔
　　ωs 旋转角速度
　　r 质点自在方位相关于转轴的半径
　　可是若是绷簧刚度不行,一起旋转速度又很大,因为离心力的影响使绷簧发生较大位移,而该位移一起又使质点离心运动的半径加大,这时的平衡方程写为：
　　kx=Mωs2(r+x)(2)
　　若是依然用(1)式的方式表明的话,其平衡方程能够写为：
　　(k-Mωs2)x=Mωs2r
　　施加表明载荷时,其振荡方程可写为：
　　Mx-(k-Mωs2)x=f(t)
　　因而刚度由k变为(k-Mωs2),即相当于旋转软化效果,旋转速度越高,旋转物体密度越大,这种软化效果也就越显着.应力刚化使模态频率升高,旋转软化使模态频率偏低,一般应力刚化的效果偏大,所以一起思考两种要素影响,使工作状况下模态频率比停止状况下模态频率偏高.
　　为了取得实在状况与停止状况下模态的不一样,又进行了一次模态有限元剖析,过程是在三、四过程后给叶轮施加一个转变角速度,翻开预应力开关,挑选剖析类型为静应力剖析,并进行一次静应力剖析.然后挑选剖析类型为模态剖析,并确保预应力开关为翻开状况,一起翻开旋转软化选项,下面同三、五今后的过程.
　　核算成果各振型对应模态频率改变不到1Hz,因而该叶轮能够选用停止状况下的模态来替代运动状况下的模态,从思考问题的周全性上思考,对应力刚化、旋转软化验证是必要的.
　　六、振型和对气动噪声影响的剖析
　　为了调查振型,用指令Expand并输入参数4扩大成整个叶轮以调查振型(菜单途径:MainMenu>GeneralPostprocessing>Expandsector).(1)一阶振荡频率为61。5Hz,叶片体现为沿径向扭摆,变形最大方位在叶根处,整个叶轮振型体现为1、3叶片摇摆时,2、4不动,1、3叶片反向扭摆.
　　(2)二阶振荡频率为62Hz,叶片体现为沿径向线扭摆,变形最大方位在叶根处,整个叶轮振型体现为1、3叶片向前扭摆,2、4叶片向后扭摆.
　　(3)三阶振荡频率为62。5Hz,叶片体现为沿径向线扭摆,变形最大方位在叶根处,整个叶轮振型体现为4个叶片以一样方式同向扭摆.
　　(4)四阶振荡频率为80。3Hz,叶片依然体现为沿径向线扭摆,但叶片型面上有曲折表象呈现,曲折最大表象呈现在较大叶片半径处,整个叶轮振型体现为1、3叶片向前扭摆,2、4叶片向后扭摆.
　　(5)五阶振荡频率为80。5Hz,叶片体现为沿径向线扭摆,叶片型面上有曲折表象呈现,曲折最大表象呈现在较大叶片半径处,整个叶轮振型体现为1、3叶片反向扭摆,2、4不动.
　　(6)六阶振荡频率为87。6Hz,叶片体现为沿径向线扭摆,叶片型面上有曲折表象呈现,曲折最大表象呈现在较大叶片半径处,整个叶轮振型体现为4个叶片以一样方式同向扭摆.
　　(7)七阶振荡频率为152。2Hz,1、3叶片的运动方式以叶片型面上的曲折波为主,曲折波有两条节线,且曲折波最严峻发生在叶片外周处,1、3叶片运动方式相差180°相位;2、4叶片根本不动,但在前掠的叶尖处有少数翘曲;对面的叶片改变相位差180°.
　　(8)八阶振荡频率为152。6Hz,叶片体现4个叶片型面上都呈现曲折波,且整个叶轮相对的两个叶片振荡状况一样,而相邻的叶片振荡状况相差180°相位.
　　能够看出叶轮模态振荡方式主要是由4个叶片周向不一样振荡组合方式,构成这种缘由主要是前掠叶片刚度远小于轮毂的刚度,即叶片“软”,而轮毂“硬”;叶片低频振型主要以叶片全体扭摆为主,而高频主要以叶片曲折波为主.从对噪声的影响来看以为前六阶振型影响较大,因为因为它的摆对流场有较大影响,构成了叶片进气攻角的改变,然后构成叶片外表升力的动摇,最严峻的状况会发生驰振,发生很大气动噪声和功率较大的下降.
　　七、定论
　　经过有限元对叶轮模态进行了模态剖析,思考了旋转软化、应力强化对叶轮实在工作状况下模态频率的影响,发现与停止状况不一样不大,一起剖析成果与实验符合较好.经过振型剖析,以为较低频率的前六阶振荡对气动噪声影响较大,为描绘低噪声风机供给了学习.
　　下一步将核算叶轮番场,得到叶片流场受力并对叶轮作谐波剖析,经过气动声学公式猜测噪声的巨细,以希望取得叶轮振荡对气动噪声的详细量值.

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