CAD/ CAE軟件在風機葉輪強度有限元分析中的應用研究
　　[摘要]: 本文針對風機葉輪強度分析的問題,介紹了采用國外先進的微機平臺CAD/CAE軟件進行了建模分析的過程及方法,提出風機葉輪強度計算一種先進快捷的解決方案,并分析了此方法的優點及注意問題.
　　
　　風機是工業部門廣泛應用的設備之一,其強度的好壞直接影響到裝置的使用效果,確保風機正常高效運行是至關重要的,而葉輪是風機的關鍵部件,其強度計算的準確性和可靠性關系到設備的安全運行.我們根據電力設備廠的實際情況,采用國外先進的CAD/CAE軟件系統,對葉輪的強度進行了分析.分析過程如下:
　　一. 三維實體模型的建立
　　模型采用Unigraphics Solutions公司基于Windows平臺中端設計軟件Solid Edge進行建立,根據已知的模型尺寸進行建立(也可根據設計的需要直接進行設計建摸).模型尺寸及所建模型實體如下圖示:
　　
　　具體關鍵數據如下表(單位mm):
　　　　項　目　
　　前盤孔口 　　后盤孔口直徑 　　葉片 　　工作轉速 1480r/min　
　具體數據 　　
直徑 板 厚 　直 徑 　板 厚 　 　數 目 　 　厚 度
　　Φ640 　　10 　　Φ640 　　10 　　12 　　8.0　　
　　二. 力學模型的建立.
　　風機葉輪的輪盤和葉片是由板材制成的,在高速旋轉下,其所受的離心力很大,而單位面積上的氣動壓力很小,則對結構的影響可以忽略不計,因此只考慮離心力,屬于線性靜力結構.在離心力的作用下,單元所受的力分析是,把離心力分解為平行于單元面的分力和垂直與單元面的分力.如果真正計算整個葉輪的離心力是比較容易的,只要找到葉輪的質心即可算出,但是每個葉片的離心力,通過人工計算(或計算機程序的計算)是很困難的,甚至是不可能計算出的,但我們采用SRAC( Structural Research and Analysis Corporation)公司的有限元分析軟件COSMOS/EDGE,這一切變的很容易.你只需給出葉輪旋轉方向的角速度,在靜力分析的時候選上離心力的選項即可,軟件系統會根據模型自動計算離心力產生的應力.針對圖1所示的葉輪線框模型,我們可進行如下建模:（圖2所示）　　
　　三．運用有限元軟件COSMOS/EDGE進行分析
　　有限元軟件COSMOS/EDGE是美國SRAC公司專為Solid Edge作的有限元分析軟件.SRAC在1993年發表的 FFE(Fast Finite Element),是一個處理與計算非常快速的工程分析軟件,FFE圖形化的操作界面可使你直接劃分有限單元網格,定義邊界條件及快速解算.FFE除了速度快之外, SRAC的FFE模塊會針對不同問題,自動選擇正確的Solver來求解.另外它提供預警功能,在正式解題之前,FFE會先檢查有限元素的模型是否定義完全,否則將停止計算,使計算機不必浪費CPU時間來做無謂的運算,并且在解題之前,FFE會自動評估你的磁盤空間是否足以供分析所用.
　　COSMOS功能相當齊全,為FEA市場上最成熟的分析產品之一,其完整的分析能力可解決絕大部分工程界的問題,其模塊眾多,在此做以簡單的介紹:
　　1. GEOSTAR(前,后處理器)　2.STAR(靜力分析模塊)　 3.DSTAR(頻率和挫曲分析模塊)
　　4.HSTAR(熱效分析模塊)　5.ASTAR(動力分析模塊)　6.NSTAR(非線性分析模塊)
　　7.FSTAR(疲勞分析模塊)　8.OPTSTAR(最佳化分析模塊)　
　　9.FLOWSTAR(流力分析模塊)　10.FLOWPLUS(紊流析加強模塊)
　　11.ESTAR(低頻電磁分析模塊) 12.HIFS(高頻電磁分析模塊) 13. MICAV(微波分析模塊)
　　COSMOS/EDGE只包含前四大模塊,也即基本分析模塊(中端模塊),COSMOS/M包含所有的模塊.因為我們所分析的問題為靜力分析,所以用中端分析模塊已足夠了.
　　具體分析步驟:
　　<一>: 從Solid/Edge軟件把葉輪模型轉為COSMOS/EDGE的格式(注意: COSMOS/EDGE 2.1版的需要如此做,在COSMOS/EDGE 3.0版將可以直接打開Solid/Edge格式的文件)
　　<二>: 在COSMOS/EDGE點取屬性菜單
　　1. 選擇單元類型(此處選擇四面體單元)　
　　2.選擇材料(此處選擇ALLOY_STEEL)
　　<三>: 在COSMOS/EDGE點取網格菜單
　　1.選擇網格密度(此處Average element size輸入1)
　　2. 選取部分網格進行網格的劃分(注意COSMOS/EDGE先檢測模型的完全定義性,如未完全定義則給予提示,無法進行網格的劃分)
　　本文葉輪的劃分網格圖形如下:
　　
　　<四>:選取邊界載荷菜單,給出邊界條件
　　1.選擇位移子菜單的剛性連接選項,然后選擇要固連的面(此葉輪應當固連后盤內圈)　
　　2.選擇載荷選項給出葉輪的角速度(此葉輪給1480r/min )
　　<五>.選取分析菜單,選擇靜態分析,并考慮離心力,然后用第二順序快速有限元進行分析。
　　<六>.選取結果菜單進行觀看結果,可看應力(圖5,6,7),應變,位移,
　　
　　注意:以上應力均是馮斯密斯應力至于應力(X,Y,Z向的應力,主應力1,2,3,剪應力,應變和位移由于空間的緣故此處不做說明,詳細請見軟盤中的圖形文件.
　　四.結果的驗證和說明.
　　由上圖可知,前盤的應力分布明顯比后盤的應力大,前,后盤都符合隨著半徑的增大應力基本邊小的規律,而且在同一半徑的圓上,應力分布也不同,在連接葉片的點與在流道中間不連葉片的點應力是不一樣的.應力較大點在葉片氣流進口邊沿靠中間和前盤與葉片接觸的進氣口部分(結果同<<風機技術>>1995西安交大童榴生老師的文章"通風機葉輪強度的三維殼體有限元計算方法"分析結果基本一致.注意本文的模型與童榴生老師文章中的模型不是完全一致,而且童老師的文章只取葉輪360/葉片數進行分析的).本文的分析果同文[2]的分析結果大體一致,更說明了力學模型建立及軟件分析結果的正確,本文中的葉輪給出的角速度過大,所以使葉片的葉片氣流進口邊沿靠中間應力非常大。
　　五.用COSMOS/EDGE分析葉輪的優點
　　1. 用COSMOS/EDGE進行分析直觀形象.一般的編程分析葉輪強度的軟件,只能得出幾個枯燥的數據,不形象直觀.
　　2. 分析過程簡單,因為葉輪主要受離心力作用,,此軟件無需計算離心力,只要給定角速度,軟件系統會考慮離心力的作用對葉輪進行分析.
　　3. 可對整個葉輪進行全面的分析.一般的程序只能分析360/葉片數部分的強度,這樣有時會與實際的偏差很大.而本軟件可對葉輪整體進行分析.
　　4. 會對葉輪材料的選擇起參考作用,從而提高經濟效益.
　　5. 能加速葉輪開發生產的周期.通過Solid Edge進行建模后,馬上就可進行強度分析,強度不合格,可選其它材料或立即返回Solid Edge進行結構和尺寸參數的修改,再進行分析,直到得出滿意的結果.
　　6. 另外此軟件系統可顯示應力變形的動態過程(存為AVI格式).
　　7. 操作簡單,有分析的流程框提示你檢查是否按步驟完成分析過程.
　　六.結論
　　總之CAE軟件COSMOS/EDGE和CAD軟件Solid Edge完美的結合,可幫你解決工程上的分析問題,簡單快捷,模塊強大,我們在本文中只用到其中的靜力模塊.