abaqus葉輪分析的案例
Abaqus鼓風機葉輪模態(自由+重力+離心力)及諧響應分析
[圖片]
葉輪機械設計分析優化軟件
這些軟件，你見過多少？你會多少？
高速葉輪機械離心力失效分析UMAT技術
<p>在高端能源動力領域，葉輪機械是心臟中的心臟，它們承擔著能量轉換的重任，沒有他們就沒有大飛機的航空發動機，也沒有我們055大驅燃氣輪機。尤其在能源領域，火力發電所使用的汽輪機，壓縮空氣儲能系統的膨脹機都是的大尺寸的高速葉輪機組，負責幾百兆瓦的能量輸出。
葉輪機械CFD分析周期性網格設置方法
作者：張敖，廣州安世亞太
來源：本文為廣州安世亞太原創作品，上海安世亞太授權轉載
前言
葉輪機械在人類生活中扮演著非常重要的角色，各類水泵、風機、壓縮機、推進器等旋轉機械部件，為高效的生產和舒適的生活提供了源源動力。對于葉輪機械而言，流體性能的好壞至關重要，傳統的葉輪機械設計是以實驗為基礎的設計，設計周期長，同時費用高，而通過應用CFD技術，則可以大大降低設計周期和成本，并能夠準確給出設備的整體流動性能和局部流動細節，預知可能的問題并提前進行優化。
周期性幾何簡化
由于葉輪機械的局部特征對流場結果的準確性至關重要，在進行網格劃分的過程中，常常需要對葉片、輪轂等局部細小特征進行高分辨率的捕捉，因此導致最終劃分的葉輪機械流場網格量巨大無比，求解效率較低。
而實際上，葉輪機械幾何及流場都具有周期性的特點，為了優化求解速度，我們完全可以充分利用這一特點，提取出葉輪機械的周期性幾何進行分析，如下圖所示，在幾何工具中截取具有周期性的流體域，提取的時候要注意，我們需要得到的是轉動周期性區域，我們可以根據葉片的數量進行角度計算，并通過旋轉軸截取固定角度的扇形周期區域。
周期性網格控制
通過Ansys Workbench導入幾何，并應用Ansys Meshing進行網格劃分。為了便于后續Fluent進行周期面的設置，我們可以使用Meshing中的“Match Control”工具對周期面上的網格設置。
如下圖所示，應用Match Control工具，可以確保周期面上的網格對應，這樣當網格導入Fluent中時，可以直接建立一致性網格的周期面。
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葉輪機械CFD分析周期性網格設置方法
張敖
廣州安世亞太公司
葉輪機械在人類生活中扮演著非常重要的角色，各類水泵、風機、壓縮機、推進器等旋轉機械部件，為高效的生產和舒適的生活提供了源源動力。對于葉輪機械而言，流體性能的好壞至關重要，傳統的葉輪機械設計是以實驗為基礎的設計，設計周期長，同時費用高，而通過應用CFD技術，則可以大大降低設計周期和成本，并能夠準確給出設備的整體流動性能和局部流動細節，預知可能的問題并提前進行優化。
周期性幾何簡化
由于葉輪機械的局部特征對流場結果的準確性至關重要，在進行網格劃分的過程中，常常需要對葉片、輪轂等局部細小特征進行高分辨率的捕捉，因此導致最終劃分的葉輪機械流場網格量巨大無比，求解效率較低。
而實際上，葉輪機械幾何及流場都具有周期性的特點，為了優化求解速度，我們完全可以充分利用這一特點，提取出葉輪機械的周期性幾何進行分析，如下圖所示，在幾何工具中截取具有周期性的流體域，提取的時候要注意，我們需要得到的是轉動周期性區域，我們可以根據葉片的數量進行角度計算，并通過旋轉軸截取固定角度的扇形周期區域。
周期性網格控制
通過ANSYS Workbench導入幾何，并應用ANSYSMeshing進行網格劃分。
展開 葉輪機械專題 | 高精度葉片雙向流固耦合的分析方法
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高質量葉輪機械六面體網格及穩健的動網格技術
Ansys提供高質量葉輪機械六面體網格劃分工具TurboGrid，可方便快捷的對單級或多級風扇/壓氣機葉片進行全自動、高質量流體網格的劃分創建。Ansys TurboGrid采用參數化網格生成模板技術，針對軸流、離心、徑流等多種葉輪機械結構自動提供多種拓撲結構，并可根據葉片扭曲程度自動調整網格質量。
鉚接結構葉輪強度三維有限元分析
Key words：impeller; three-dimensional finite element; stress analysis▲
在風機、壓縮機和汽輪機的設計中，葉片與輪盤、輪蓋均為鉚釘連接結構的高轉速葉輪,由于輪蓋、輪盤和葉片不僅受離心拉應力和與軸連接的壓應力作用，而且其本身又承受鉚釘連接處的切應力作用，且這些應力不是連續變化的，其應力和變形狀況相當復雜，用一般的有限元分析和二次計算法無法真實計算其受力情況。筆者主要采用三維有限元強度分析計算方法，對鉚接結構葉輪在額定轉速下受離心力作用的結構受力情況作了分析計算。
1 力學分析模型建立
1.1 設計參數
葉輪轉速n=2975r/min，輪盤和輪蓋材料35CrMoA，葉片材料30CrMnSiA，鉚釘材料20Cr，葉片數量為24。輪盤和輪蓋強度極限為σs=590，σb=765，葉片強度極限為σs=735，σb=880，單位均為MPa。鉚接結構形狀見圖1。
圖1 鉚接葉片結構簡圖
1.2 三維有限元分析計算模型簡化
鉚接式葉輪是由輪盤、輪蓋和葉片3部分通過鉚釘連接而成，整個葉輪受到的主要載荷是離心力、輪轂與轉動軸緊配合而產生的壓緊力以及葉片與輪盤、葉片與輪蓋由鉚釘連接而產生的不均勻剪切力。由于問題比較復雜，因而在進行有限元強度分析計算時，我們對鉚接葉輪作了如下幾點規定。
(1)有限元分析模型子結構 在進行鉚接葉輪強度分析時，我們擺脫傳統的平面有限元法和二次計算分析方法，以真實三維葉輪幾何結構為基礎建立有限元分析模型。根據分析程序特點，在確定邊界條件時對葉輪不進行任何理論假設，計算時輸入葉輪的真實轉速及材料。由圖1所示結構，24個葉片在葉輪的環向均勻分布且完全對稱，為了減小解題規模，節省解題時間，我們選取葉輪1/24作為子結構進行計算。
展開 鼓風機葉輪結構有限元分析
近年來主要 采用國外的商用軟件進行數值模擬計算與分析，并與西安交大、西安理工大學等院校合作進 行物理模型實驗、分析及方案優化。由于商用軟件源代碼不開放，無法有效的進行產品優化 和創新，如果能擁有自主知識產權的開發軟件將會在國際同行業中處于領先地位。
2005 年 11 月鼓風機廠提出進行風機葉輪結構三維有限元分析與優化，我們采用并行有 限元程序自動生成系統 PFEPG 生成了三維計算程序，分別于 2005 年 12 月和 2006 年 9 月進 行了葉輪結構及體型分析和優化。該項成果可用于指導風機設計和制造。
葉輪機分析模型
葉片網格圖
總位移結果（單位：mm） 第一
主應力云圖（單位：MPa） 第
三主應力云圖（單位：MPa）
展開 葉輪機振動模態分析理論及數值方法
葉輪機振動模態分析理論及數值方法
葉輪機振動模態分析理論及數值方法.part1.rar
葉輪機振動模態分析理論及數值方法.part2.rar
葉輪機振動模態分析理論及數值方法.part3.rar
葉輪機振動模態分析理論及數值方法.part4.rar
電機轉子、皮帶輪、齒輪、葉輪偏心的振動分析
可對具有1X較大振動的齒輪進行相位分析，以確定是不平衡還是偏心距引起的振動。偏心的齒輪不僅促使產生1X的大振動而且還產生高幅值的齒輪嚙合頻率及其諧波，在嚙合頻率兩側伴有高于正常幅值的邊帶頻率，邊帶頻率為偏心齒輪的1X頻率。有時，這些邊帶頻率將為偏心的齒輪的2X轉速頻率。這些邊帶將調制齒輪嚙合頻率本身的幅值。
三、偏心的電動機轉子振動特征
偏心的電動機轉子在轉子與定子之間產生旋轉變化的氣隙（注意與偏心的定子的區別），在2X電源工頻（100Hz）處的振動，100Hz與最靠近的轉速諧波振動之間所形成的拍頻振動，對于2極電動機，將在2X轉速頻率與2X電源頻率之間產生拍振，而對于1480轉/分電動機，它將在4X轉速頻率與2X電源頻率之間產生拍振，產生在2X電源工頻兩側的極通過頻率 (FP) 邊帶。
最后，偏心的電動機轉子運動本身將引起定子極與偏心轉子之間的磁場的振動，因此包括轉子與定子之間的1X轉速頻率的振動。
四、泵葉輪偏心振動特征
偏心的泵葉輪可以在旋轉的葉輪與靜止的擴壓器葉片之間產生不相等的液壓力擾動。這不僅產生泵轉速的大的振動，而且還產生葉片通過頻率及其諧波頻率，這是由于偏心的葉輪產生的“液壓不平衡”造成的。
五、偏心轉子的相位特征
偏心的轉子可能引起一個徑向方向比其它徑向方向明顯大的振動（由于這個原因，導致撞擊軸承，有時還產生松動）。
相位分析，確定1X振動大是偏心矩引起的，還是其他如不平衡等1X振動源引起的。
H和V方向的相位差約0度或180度。偏心距產生的力都是非常定向的，不像在不平衡故障占優勢的情況中那樣，水平和垂直方向的相位差為90度。
展開 案例13-離心葉輪的循環對稱和線性攝動分析
該案例演示了使用循環建模方法和線性攝動解方法進行離心葉輪葉片分析。該問題包括模態分析、全諧分析、使用線性擾動的預應力模態分析、使用非線性擾動的預應力全諧響應分析以及使用線性擾動進行的預應力模態疊加諧響應分析。
循環對稱性分析的結果與從全（360度）模型分析獲得的參考結果進行了驗證。
介紹
循環對稱建模是分析具有圍繞對稱軸360度重復幾何圖案的結構的有力工具。循環對稱性存在于許多土木工程結構中，如圓頂、冷卻塔和工業煙囪。也可以在機械設備中找到，例如銑刀、渦輪葉片盤、齒輪、風扇和泵葉輪。
循環對稱模型可以使用整個結構的單個部分（稱為基扇區）來求解，從而加強循環子結構之間的連續性和兼容性邊界條件。循環對稱性分析大大減少了模型大小和計算成本。
問題描述
本示例中的葉輪葉片組件是航空航天應用中使用的燃氣渦輪發動機的子系統。
以下模型顯示了單個離心葉輪葉片的循環對稱扇形：
該模型由護罩和扇形角為27.692度的葉輪葉片組件組成。整個模型由13個主葉片和分離器組成，如圖所示：
在循環扇形模型上分別進行了模態、帶線性和非線性基礎靜態解的擾動預應力模態、全諧波、帶非線性基礎靜態解的擾動預應力全諧波、以及帶非線性基礎靜態解的擾動模態疊加諧波分析。
擾動模態循環對稱分析包括線性和非線性靜態分析的初始預應力條件。具有線性靜態解的初始應力狀態由旋轉葉輪組件以及施加在葉輪葉片上的壓力載荷產生。非線性靜態分析的初始應力狀態是由旋轉的葉輪葉片、施加在葉輪葉片上的壓力載荷和施加在葉輪葉組件模型所有節點上的熱載荷產生的。
擾動全諧和擾動模態疊加諧循環對稱性分析包括由于非線性靜力分析而產生的初始預應力條件。初始應力狀態由葉輪組件的旋轉和施加在葉輪葉片組件模型的所有節點上的熱載荷產生。
展開 
轉載，基于ANSYS Workbench葉輪葉片流固耦合分析
3 結論
本文通過CFX對離心葉輪進行了單向流固耦合，首先進行了葉輪場的數值模擬，將葉片表面的水壓力導入結構場，求得葉片最大等效應力為180.3MPa（工況1）和76.78MPa（工況2），位于吸力面上緣線。兩個工況所產生的等效應力并未超出葉輪的屈服應力值，為此該葉輪能在兩個工況下正常的工作，但是在設計葉輪是要適當優化葉尖和葉根處的工藝尺寸，以避免應力集中而產生疲勞破壞現象。
應用CFD數值模擬對離心通風機葉輪進行設計分析
3、
流場分析
圖2是葉輪內部氣體流動跡線圖，可以看出氣流從葉輪進口處進入后，大部分氣體直接進入到旋轉的葉輪中，得到加速，并且在葉道內達到絕對速度最大值。少部分氣體會沿葉片角做環繞運動，從而在葉輪進口處產生一個漩渦。這種漩渦的存在不僅影響了風機的啟動性能，而且會帶來一些噪聲的增加，因此風機進氣的好壞對這些漩渦的產生發展有著直接的影響。
圖3是葉輪內部壓力等值面，結合葉輪內部跡線圖，很好地看到葉輪內部氣流的運行情況。
圖4給出了風機葉輪截面的壓力分布云圖，可以看到葉輪的旋轉使葉輪中間產生了一個負壓區域，而越靠近葉輪外緣處，壓力就越高。
圖5給出了風機葉輪截面的速度分布，就整個葉輪的速度分布情況來看，它與總壓的分布非常類似。從矢量分布圖來看，氣流在葉片進口處和出口處的流動非常復雜，有漩渦的存在。圖6和圖7分別是葉片氣流進口處和葉片氣流出口處，矢量截面圖的放大圖。
由此可見，葉輪葉片進出口角度選定的好壞對葉輪氣動性能有著很大的影響。圖7葉片末端的氣流出口處速度矢量圖清晰可見有漩渦的干擾，通過對此處流場的分析，可以對葉片葉型進行改進，以減小漩渦擾動損失，提高葉輪效率，降低噪聲。
展開 FBD型礦用軸流式通風機葉輪氣動噪聲的數值分析
圖4 坐標系
圖5 旋轉區域截面及計算點所在位置(mm)
3.2 二級葉輪旋轉區域噪聲計算點的布置
二級葉輪噪聲計算點的布置與一級葉輪相同,同樣以二級葉輪輪轂中心為坐標原點，出口軸線方向為 Z 軸正方向，以過原點的兩兩相互垂直的徑向分別為 x 、Y 軸，以同樣的數值在垂直于 z 軸方向取 5 個截面。又以同樣 的數值分別在 5 個截面上取 7個噪聲計算點。共計 35 個噪聲計算點。
4、葉片旋轉區域噪聲計算點的數值計算結果分析
4.1 一級葉輪旋轉 區域噪聲計算點 的數值計 算結果分析
由計算可得一級葉輪的旋轉基頻為 700Hz。其整數倍基頻諧 波頻率為：1400H z、2 100H z、2800H z、3500H z。一級葉輪噪聲計算點的頻譜圖如圖 6 所示，在一級葉輪建立的坐標系中，以坐標為(0 ，370 ，0 )的計算點的噪聲頻譜圖為例(一級葉輪旋轉區域其他噪聲計算點的頻譜分布規律與此計算點類似)所示，聲壓級較大峰值所對應的噪聲頻率分別 699．3H z、 1398．6H z、2097．9H z、2797．2H z、3496．5H z，其聲壓 級分 別為 ：158．9dB 、157dB 、154．5dB 、150．7dB 、144．7dB。因為噪聲頻譜圖聲壓級峰值對應的頻率和～級葉輪旋轉基頻及其諧波的頻率相差較小且峰值最為突出，由此得出一級葉輪旋轉區域 的氣動噪聲主要由因葉片周期旋轉引起的旋轉噪聲組成，且隨著基頻倍數的增加諧波噪聲在減小 。
圖6 一級葉輪噪聲計算點的頻譜圖
級葉輪旋轉區域不同截面各計算點的最大噪聲分布如圖7所示分，別對一級葉輪旋轉區域5個截面上每個計算點的噪聲頻譜圖進行分析，得到每個計算點處噪聲 的最大聲壓級。
展開 葉輪機械專題 | 如何高效準確地進行葉片顫振分析預測？
隨著對葉輪機械產品性能要求的提高，葉尖切線速度越來越大、剛度越來越低，葉片顫振的可能性相比以往也大大增加，而我們知道葉片顫振會最終導致葉片斷裂失效等嚴重事故。隨著計算機仿真技術的發展，流固耦合分析方法已成為葉片顫振分析方法的主流，葉片的流固耦合分析中，需要對三維非定常流場和葉片的瞬態響應進行時間推進求解，而且葉片振動改變了流場邊界，需要采用動網格技術對流場網格進行實時更新。
基于上述流程，傳統的葉片流固耦合顫振分析方法通常會面臨以下挑戰：
葉片全三維非定常仿真求解計算資源消耗極大、計算時間極長，極大的制約了該方法應用于實際葉輪機械產品的研發流程中；
葉片雙向流固耦合仿真需要同時對三維流場和固體振動進行瞬態耦合求解計算，收斂非常困難，難以獲得有用的分析結果；
CFD軟件與結構軟件之間數據交互復雜、操作繁瑣，不利于工作繁重的工程技術人員快速學習和使用。
針對上述難點，Ansys基于葉輪機械專用流體仿真軟件CFX和結構仿真軟件Mechanical推出了能高效、準確的分析和預測葉片顫振解決方案，該方案在求解效率、準確性和操作易用性等方面居于商業軟件前列，非常適用于實際葉輪機械產品的葉片顫振分析和預測。本文將針對葉片顫振分析，對流固雙向耦合解耦的方法進行著重介紹，更多受迫振動分析方法將在Ansys中國官方微信公眾號中陸續發布。
由于雙向流固耦合計算成本過高，不適用于工況點眾多的實際葉片顫振分析，需要將其解耦為單向流固耦合。
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