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1 前言
自我廠成功設(shè)計(jì)開發(fā)了陜西神木2.8 萬NM3/H 空分裝置用離心壓縮機(jī)(H467),實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)設(shè)計(jì)史上的重大突破,開創(chuàng)了我廠大型空分裝置用懸臂離心壓縮機(jī)組的自行設(shè)計(jì)制造的新天地,該成果的意義是深遠(yuǎn)的,社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益也是巨大的。鑒于首級(jí)輪的特點(diǎn),設(shè)計(jì)者往往要對(duì)它的力學(xué)性能保持高度重視。本文應(yīng)用ANSYS Workbench 軟件對(duì)首級(jí)半開式葉輪進(jìn)行強(qiáng)度分析,并且根據(jù)分析所得結(jié)果,對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。
ANSYS Workbench 是用ANSYS 求解實(shí)際問題的新一代產(chǎn)品,它給ANSYS 的求解提供了強(qiáng)大的功能。這種環(huán)境為CAD 系統(tǒng)提供了全新的平臺(tái),保證了最好的CAE 結(jié)果。
目前我廠主要使用ANSYS Mechanical 中的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析部分(Structure 模塊)該工具有如下技術(shù)特點(diǎn):
1. 雙向參數(shù)互動(dòng)的CAD 接口
2. 智能網(wǎng)格生成器
3. 各種結(jié)果的數(shù)據(jù)處理
4. 各種結(jié)果的圖形及動(dòng)畫顯示
5. 全自動(dòng)生成計(jì)算報(bào)告等。
2 利用SOLIDWORKS 2008 對(duì)該葉輪進(jìn)行三維造型并轉(zhuǎn)入AWE前處理
使用SOLIDWORKS 軟件進(jìn)行建模。作為著名CAD 軟件之一,個(gè)人覺得它非常適合與ANSYS 進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。尤其對(duì)一些大型壓縮機(jī)整體承重分析,更能體現(xiàn)其與Workbench的理想組合。
2.1 建立葉輪三維模型
通過CAXA 所繪二維圖紙,將輪盤子午面繪制到新零件的右視圖中,作為實(shí)體的一個(gè)截面數(shù)據(jù),通過旋轉(zhuǎn)實(shí)體命令可生成實(shí)體。對(duì)于此類葉輪,如僅是三維造型,則會(huì)有很多方式去實(shí)現(xiàn)它,但我為了使該模型在ANSYS 中得到更好的應(yīng)用效果,所以對(duì)其做了一部份局部的細(xì)節(jié)處理:刪除了葉片周圍原有的小圓角和輪盤軸孔前后端的兩處倒角等等?？偨Y(jié)以往工作經(jīng)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)利用軟件中的曲面包絡(luò)建立的模型,無論從外觀效果,還是局部的合理化程度,都達(dá)到了很高的水準(zhǔn)。葉輪三維效果如圖1 所示。
2.2通過軟件接口將模型數(shù)據(jù)傳入AWE分析
ANSYS Workbench 擁有強(qiáng)大的雙向參數(shù)互動(dòng)的CAD 接口,它能輕易地實(shí)現(xiàn)CAD 與Workbench 間的數(shù)據(jù)傳遞,并且可以提供參數(shù)的雙向互動(dòng),這些帶給設(shè)計(jì)人員更加便捷的工作效率。特別是對(duì)一項(xiàng)工作需要優(yōu)化并反復(fù)修改時(shí),它方便快捷的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)的更加淋漓盡致。
通過ANSYS 接口,選擇將葉輪導(dǎo)入DM(Design Modeler),應(yīng)用Surface body 將輪盤表面作為待選面,凍結(jié)(Frozen)實(shí)體并通過面將其分割,使用切片工具(Slicing )。
利用上述命令得到各個(gè)葉片與輪盤分離效果,對(duì)所有實(shí)體使用Form New Part 命令,將其轉(zhuǎn)化為多體零件(Multibody Parts )用來使各個(gè)實(shí)體間共享相同節(jié)點(diǎn)。
將處理后的幾何特征在DS(Design Simulation )中進(jìn)行Sweep 分網(wǎng),得到我所需要的兩層葉片效果(見圖2)。鑒于葉片結(jié)構(gòu)特征,厚度方向尺寸遠(yuǎn)小于其他部分尺寸,這樣做是為了得到更加準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。
3 后續(xù)工作及優(yōu)化方案
計(jì)算得Equivalent (Von-mises) 值為756.91 Mpa,位于葉片根部(見圖3)。在此希望將應(yīng)力降低到750Mpa以下來滿足客戶的要求?？紤]若干方案后,決定通過修改葉片參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。通過我廠NREC氣動(dòng)計(jì)算程序求出了4個(gè)文件:
1. plus1mm.BLA
2. plus2mm.BLA
3. plus3mm.BLA
4. plus4mm.BLA
包含將葉片厚度增加1~4mm 后,葉片吸力面及壓力面對(duì)應(yīng)的空間曲線X、Y、Z、R 參數(shù)。我在此計(jì)算了其中的一例:將葉片靠近輪盤側(cè)厚度加3mm,頂側(cè)厚度加1mm 。如加的太厚,則會(huì)影響氣動(dòng),降低整機(jī)效率是不可接受的結(jié)果。
修改后的模型可以快速通過雙向參數(shù)互動(dòng)的CAD 接口導(dǎo)入,該接口使得優(yōu)化結(jié)果無需多次存盤,避免了繁多的優(yōu)化數(shù)據(jù)文件,可以在Project 里羅列出全部的優(yōu)化方案,一目了然,無形中縮短了設(shè)計(jì)周期,提高了效率。
本次優(yōu)化結(jié)果Equivalent (Von-mises) 值為733.92 Mpa,且最大應(yīng)力區(qū)域沒有轉(zhuǎn)移(見圖4),達(dá)到了優(yōu)化目的。
圖1(模型) 圖2(網(wǎng)格)
圖3(原模型應(yīng)力分布) 圖4 (最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布)
4 結(jié)論
由上述分析可見,利用ANSYS-Workbench 可便捷、準(zhǔn)確地對(duì)離心壓縮機(jī)中的半開式葉輪進(jìn)行強(qiáng)度分析及驗(yàn)證, Workbench 的應(yīng)用,使得我廠設(shè)計(jì)周期大大縮短,明顯地提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率。
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