摘    要：針對某軌道交通的空調(diào)風(fēng)機總成，利用前處理軟件HyperMesh對整個風(fēng)機總成進行網(wǎng)格劃分，之后利用HyperWorks仿真平臺的有限元求解器OptiStruct對該風(fēng)機總成進行分析。分析結(jié)果表明，在離心力和沖擊載荷作用下，風(fēng)機總成的各個部件都沒有超過材料屈服強度，滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：HyperMesh;空調(diào)風(fēng)機;OptiStruct;強度;

0 引言

軌道交通是城市交通系統(tǒng)的主要組成部分，不但承載輸送乘客的職能，而且要在高低溫環(huán)境下保證客艙內(nèi)的舒適性，因此空調(diào)系統(tǒng)發(fā)揮著重大作用。地鐵空調(diào)系統(tǒng)主要由空調(diào)機組、風(fēng)道、送風(fēng)格柵及控制裝置等組成。其中空調(diào)機組不但要調(diào)節(jié)空氣的溫度和濕度，提供舒適環(huán)境，而且要保證高可靠性。而空調(diào)機組內(nèi)風(fēng)機的可靠性直接影響了整個空調(diào)機組的正常運行。因為在空調(diào)運行過程中，空調(diào)風(fēng)機長期處于運行狀態(tài)，加上其轉(zhuǎn)速高，車輛運行過程中還有慣性加速度的沖擊，因此在整個軌道交通空調(diào)系統(tǒng)中，空調(diào)風(fēng)機屬于易發(fā)生故障的總成，因此有必要在設(shè)計時對其進行結(jié)構(gòu)強度方面的分析研究和驗證[1]。

本文利用HyperMesh建立某軌道交通空調(diào)風(fēng)機總成的有限元模型，利用HyperWorks仿真平臺有限元求解器OptiStruct對風(fēng)機總成在設(shè)計工況下進行強度分析，根據(jù)分析結(jié)果，判定設(shè)計方案的可靠性和合理性。

1 空調(diào)風(fēng)機總成的有限元模型建立

1.1 三維模型建立

利用三維設(shè)計軟件SolidWorks進行某軌道交通空調(diào)風(fēng)機三維總成的幾何實體建模，如圖1所示。HyperMesh可以提供各種主流三維模型的導(dǎo)入接口，由于是裝配件總成，為了防止模型幾何數(shù)據(jù)的丟失，將模型按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)所屬技術(shù)委員會制訂的國際統(tǒng)一CAD數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)出為.STEP格式。

1.2 網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)

在將.STEP格式的三維CAD模型通過HyperMesh的import導(dǎo)入功能加載到軟件界面之前，選擇求解器模塊為OptiStruct, 后面所有的操作都將以HyperWorks的OptiStruct求解器為模板[2,3,4]。薄壁板件將采用殼單元進行劃分，鑄件一般采用體單元進行處理。為了更好地適應(yīng)復(fù)雜幾何形狀，提高單元質(zhì)量，面網(wǎng)格一般采用三角形和四邊形混合方式，體網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格和金字塔網(wǎng)格Pyramid5,螺栓連接采用Rbe2+Beam方式進行連接。根據(jù)模型尺寸及最小特征尺寸，單元尺寸總體定義為：平均尺寸10 mm, 不允許單元尺寸低于2 mm或高于20 mm, 單元長寬比不得大于5。單元質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。對風(fēng)機總成進行有限元網(wǎng)格劃分后對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，包括最大最小角、雅克比、網(wǎng)格疊加性、連續(xù)性等，并對不合格網(wǎng)格進行優(yōu)化調(diào)整，最終該軌道交通空調(diào)風(fēng)機總成的有限元模型共有72 567個節(jié)點、55 171個單元，風(fēng)機的有限元模型如圖3所示，局部放大圖如圖4所示。

圖1 某軌道交通空調(diào)風(fēng)機總成三維模型

1.3 屬性設(shè)定

對風(fēng)機總成模型進行網(wǎng)格劃分后，根據(jù)單元類型建立殼單元及體單元屬性，殼單元需要定義其厚度，之后對其各個部件進行材料屬性的建立和設(shè)置。HyperMesh中有強大的材料屬性卡片，可以建立各種線性、非線性、各向同性、各向異性等材料。風(fēng)機總成各部件的材料均為304不銹鋼，本文主要針對風(fēng)機總成的強度進行分析計算，因此采用線性材料，計算中用到的材料屬性如表1所示。

1.4 約束及載荷

1.4.1 約束

葉輪與輪轂的螺栓連接之間定義接觸以模擬實際情況，其他部位螺栓連接采用rigid+beam, 葉輪與輪轂螺栓連接放大圖如圖5所示；對風(fēng)機總成框架安裝孔進行固定約束，約束其安裝孔的6個自由度，固定約束如圖6所示。

圖2 有限元單元質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)  

圖3 軌道交通空調(diào)風(fēng)機總成有限元模型  

圖4 軌道交通空調(diào)風(fēng)機總成局部有限元模型 

表1 軌道交通空調(diào)風(fēng)機總成材料屬性

1.4.2 工況載荷

工況為空調(diào)風(fēng)機正常工作下的額定工況，風(fēng)機轉(zhuǎn)速為25 r/s, 會對葉輪和輪轂產(chǎn)生離心力，利用RFORCE卡片進行離心力加載；考慮到軌道交通行駛過程中的轉(zhuǎn)彎及顛簸情況，轉(zhuǎn)彎+顛簸過程有加速度沖擊，施加 X、Y、Z三個方向的沖擊加速度分別為5g、1g、3g。

2 分析結(jié)果

本文利用HyperWorks仿真平臺的OptiStruct求解器對該軌道交通空調(diào)風(fēng)機總成進行求解。OptiStruct是Altair公司一款功能非常強大的通用結(jié)構(gòu)分析求解器，被廣泛應(yīng)用于線性和非線性結(jié)構(gòu)分析，適用于多個學(xué)科，包括靜力學(xué)和動力學(xué)、振動、聲學(xué)、疲勞和多物理場。同時OptiStruct與HyperMesh可以實現(xiàn)無縫銜接，載荷和約束設(shè)置完畢后，在HyperMesh中建立Load Step工況后，就可以提交計算，計算結(jié)果在后處理軟件HyperView中進行查看。圖7～圖11分別為風(fēng)機總成靜態(tài)強度應(yīng)力云圖及各個部件的應(yīng)力云圖。

圖5 葉輪與輪轂螺栓連接及接觸

圖6 軌道交通空調(diào)風(fēng)機總成有限元約束邊界 

圖7 軌道交通空調(diào)風(fēng)機總成應(yīng)力云圖(MPa)

圖8 軌道交通空調(diào)風(fēng)機框架應(yīng)力云圖(MPa)

從計算分析結(jié)果可以看出：軌道交通空調(diào)風(fēng)機總成的最大應(yīng)力為198 MPa, 出現(xiàn)在空調(diào)風(fēng)機的框架上，位于框架與電機支架的螺栓連接處；電機支架的最大應(yīng)力為122.1 MPa, 出現(xiàn)在支架折彎處；風(fēng)機葉輪的最大應(yīng)力為142.1 MPa, 出現(xiàn)在每個葉輪的根部；風(fēng)機輪轂的最大應(yīng)力為26.53 MPa, 出現(xiàn)在輪轂與葉輪的螺栓連接處。所有部件的最大應(yīng)力均未超過材料的屈服強度205 MPa, 滿足設(shè)計要求。

圖9 軌道交通空調(diào)風(fēng)機電機支架應(yīng)力云圖(MPa)

圖10 軌道交通空調(diào)風(fēng)機葉輪應(yīng)力云圖(MPa)

3 結(jié)論

文章以某軌道交通空調(diào)風(fēng)機總成為研究對象，運用SolidWorks建立了幾何模型，利用HyperMesh建立了有限元模型，考慮風(fēng)機轉(zhuǎn)動離心力和沖擊加速度載荷，用OptiStruct求解器進行了靜態(tài)結(jié)構(gòu)強度分析。分析結(jié)果表明，各部件最大應(yīng)力均未超過材料屈服強度。

圖11 軌道交通空調(diào)風(fēng)機輪轂應(yīng)力云圖(MPa) 

參考文獻

[1] 韓曉明.軌道交通車輛空調(diào)系統(tǒng)的原理和發(fā)展方向[J].裝備機械，2015(1):57-62.

[2] 王鈺棟，金磊，洪清泉，等.HyperMesh&HyperView應(yīng)用技巧與高級實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[3] 李楚琳.HyperWorks分析應(yīng)用實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[4] 歐賀國，方獻軍，洪清泉，等.RADIOSS理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

文章來源：機械工程與自動化. 2023(02)