葉輪強度仿真的案例
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(xù)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(shù)
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(shù)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(chǎn)生的壓緊力以及葉片與輪盤、葉片與輪蓋由鉚釘連接而產(chǎn)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(guī)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(tǒng)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(jù)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(huán)向均勻分布且完全對稱，為了減小解題規(guī)模，節(jié)省解題時間，我們選取葉輪1/24作為子結構進行計算。
展開 CAD/CAE軟件在風機葉輪強度有限元分析中的應用研究zz(很久以前找到的，不知道作者是誰了)
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(yōu)點及注意問題.
風機是工業(yè)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(jù)電力設備廠的實際情況,采用國外先進的CAD/CAE軟件系統(tǒng),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(jù)已知的模型尺寸進行建立(也可根據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)
直徑 板 厚 直 徑 板 厚 數(shù) 目 厚 度
Φ640 10 Φ640 10 12 8.0
二. 力學模型的建立.
展開 葉輪機械設計仿真優(yōu)化
然而，在 NUMECA軟件平臺中,具有專業(yè)的多物理場耦合 Ipcc方法、氣動噪聲分析 FINE/VNoise、葉輪參數(shù)化擬合及造型 AotuBlade、優(yōu)化平臺 FINE/Design3D，使得NUMECA成為目前唯一的一體化的葉輪機械設計分析優(yōu)化平臺。
其他諸如 Fluent、 Star CCM+等通用CFD求解器，也能較好的提供葉輪機械氣動仿真解決方案，相比具有具有專用模塊的CFX和 NUMECA,通用CFD求解器在葉輪機械仿真前處理、求解和后處理過程中，效率較為低下，精度和準確度相對低一些，計算開銷較大。這里需要大家腦補一下周期性計算、B2B拓撲調(diào)整、子午展開等概念。
葉輪機械設計仿真優(yōu)化從業(yè)者要想在該領域內(nèi)閑庭信步，并顯得毫不費力，需要深厚的理論知識、豐富的工程經(jīng)驗和設計仿真軟件使用精通三個維度的加持。
工欲善其事，必先利其器，選擇幾本理論書籍、積累工程經(jīng)驗、選擇一款優(yōu)秀的設計仿真軟件，是我們通往葉輪機械設計仿真優(yōu)化成功的必經(jīng)之路。
另外，大型葉輪機械CFD微信群已建立，已有320多人參加，高效研究所企業(yè)仿真機構各路大神等你來哦，微信號見評論。
展開 離心壓縮機葉輪振動特性仿真及試驗研究
Key words: centrifugal compressor; impeller; parameterized design; innovation method
0 引言
葉輪疲勞斷裂是近年來離心壓縮機組向高端化方向發(fā)展的過程中遇到的主要失效形式，作為離心壓縮機運行核心部件的葉輪，運行時常常受到離心力、壓力以及其它非穩(wěn)定形式流動激勵的綜合作用，發(fā)生劇烈振動，并產(chǎn)生相應的噪聲，甚至會引起其共振。壓縮機流量的增大使得流道的寬度增大，而現(xiàn)代過程工業(yè)普遍要求壓縮機具有寬的工況范圍，為此在壓縮機進口廣泛的采用了可調(diào)導葉，使得流體的激振力增大。這些因素共同作用使得近年來壓縮機葉輪斷裂的事故尤為突出[1-2] 。
如果在實際的工作中，葉輪長期處于比較嚴重的共振中，會很容易產(chǎn)生疲勞；因此，為了葉輪能夠長期的工作在非共振的環(huán)境下，保證葉輪的使用壽命和壓縮機的運行狀態(tài), 日本三菱公司進行了葉輪強度的研究，在測試和有限元分析的基礎上，改變葉輪結構優(yōu)化葉輪上振動應力的分布[3] 。同時，在試驗基礎上，提出了葉片動應力的評定準則[4] 。在國內(nèi)，文獻[5]對葉輪的振動特性進行研究分析,指出改變?nèi)~片數(shù)量可以有效地使葉輪固有頻率和激振頻率避開，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。
用LMS模態(tài)測試軟件對離心壓縮機葉輪結構進行了模態(tài)分析，并將結果與ANSYS有限元軟件[6]計算結果相對比，驗證ANSYS有限元軟件計算葉輪模態(tài)得出的結果是可信的。之后在此基礎上，運用ANSYS有限元分析軟件計算分析三種方式，即改變?nèi)~片厚度、葉輪加筋和改變?nèi)~片數(shù)量，對葉輪振動特性的影響效果，為葉輪的優(yōu)化設計提供參考依據(jù)。
1 葉輪模態(tài)分析
1.1 葉輪失效形式及解決方案概述
葉片斷裂失效形式如圖1所示[1-2] 。模態(tài)分析是用來確定結構振動特性的一種常用技術，這些振動特性包括固有頻率和振型。
展開 
FC部件|基于 CFD 仿真的燃料電池離心空壓機葉輪的優(yōu)化設計
新葉輪的流量較基礎葉輪增大21.4%,目標流量處的等熵效率增加7.5%、壓比提高了32.4%,達到了設計目標的要求。
文章來源：張申,吳孟龍,范俊巖,辛軍.基于CFD仿真的燃料電池離心空壓機葉輪的優(yōu)化設計[J].汽車零部件,2020(11):23-26.DOI:10.19466/j.cnki.1674-1986.2020.11.005.
文章來源：CEA氫氫子衿
葉輪機械仿真前處理的那些事（Ⅰ）
1 概述
葉輪機械的CFD仿真與通用CFD仿真過程沒有什么不一樣，同樣包含前處理、求解設置、后處理三大過程。由于葉輪機械的特殊性，諸如旋轉周期性、動靜葉片干涉等，使得葉輪機械的CFD仿真相比通用CFD仿真難度有所增大。
前處理過程一般包含幾何模型的處理和網(wǎng)格劃分兩方面內(nèi)容，現(xiàn)在通過引入一個具體問題，來討論下幾何模型處理。
2 問題描述
已知數(shù)據(jù)：葉片三維模型和子午設計圖，子午視圖重顯示，葉片葉頂間隙為1mm（單邊間隙），圖如下所示。
航空科普：大有可為-航空發(fā)動機葉輪機械CFD仿真技術
（二）全周計算
在葉輪機械非定常計算、顫振分析中，相鄰葉排葉片數(shù)不同導致精確模擬流動細節(jié)時可能使用全環(huán)非定常計算，但這在設計中是幾乎難以接受的時間周期和計算成本，為此，我們需要開發(fā)高精度的簡化模型，例如在非定常流動計算中如果周期邊界和滑移面采用相位延遲邊界條件，就可以把非定常的計算域縮減到各葉排只有一個通道，極大簡化計算量，此類方法稱為相位延遲法，目前已廣泛應用于多排葉輪機械流動的非定常、顫振等計算中。其他簡化模型例如小擾動線化法、非線性諧波法、諧波平衡法、時間擬合法等，也都是為了精細模擬非定常流動、氣彈等問題而提出的。
全周計算簡化
（三） 氣熱固耦合
CFD技術要想完整地模擬發(fā)動機的工作過程，必然涉及到多學科耦合，如流體，燃燒，傳熱，結構，壽命，強度等等。以渦輪葉片的仿真設計來說，需要葉片氣動做功效率，葉片的最高溫度，強度，振動和壽命等同時滿足要求，傳統(tǒng)的計算步驟是串行式的，即先對葉片造型做氣動分析，判斷是否滿足要求，然后做熱分析，再做強度、振動等分析，這將大大延長設計周期，也很難找到最佳設計。因此先進發(fā)動機設計要求進行氣熱固多學科的耦合計算，從而可大大減少設計周期，尋找到設計空間最佳解。
展開 ANSYS CFX 壓縮機仿真-離心壓縮機葉輪
本文利用CFX模擬離心壓縮機葉輪的氣動性能。
注：本文采用CFX 2019R2進行演示
1 幾何模型
幾何模型來自ANSYS-CFX的教程文檔。下圖是幾何模型的示意圖。這個葉輪有24個葉片，以22360rpm的轉速繞Z軸旋轉。
△ 幾何模型示意圖
2 BladeGen定義幾何
啟動Workbench 2019 R2，將BladeGen模塊拖入工程視圖，右擊
A2：Blade Design→Properties，在屬性面板中設置如下圖所示
△ 屬性設置
加載創(chuàng)建好的葉輪。
便捷、快速、精準的葉輪機械專用仿真軟件TCFD
Turbomachinery CFD (以下簡稱TCFD) 是一款專門針對葉輪機械的計算流體力學軟件，能夠對泵、風機等葉輪機械進行快速、精準的流動性能分析，得到流量、揚程（風壓）、效率以及空化性能等數(shù)據(jù)。
TCFD在開源CFD求解工具OpenFOAM基礎上，針對葉輪機械進行了深度定制開發(fā)，具有自動化程度高，求解速度快，求解精度高，二次開發(fā)及深度定制方便等功能特色，能夠為葉輪機械各部件的性能分析和優(yōu)化設計提供一個快捷高效的平臺。
該軟件具有以下特點：
1)適用于各類葉輪機械：渦輪、水輪機、泵、風扇、軸流風扇、壓氣機；
2)全自動化、模板化設置流程，高效便捷；
3)可同時設置多轉速多工況計算，并自動生成性能曲線；
4)100%可視化工作界面；
5)自動生成 HTML 、PDF版本報告；
6)計算求解快速，優(yōu)于市面上其他常用CFD軟件；
7)兼容Windows 和 Linux系統(tǒng)；
8)永久、無許用用戶限制；
9)部分代碼開源，可進行深度二次開發(fā)及軟件定制；
10)實際案例教程，所有資源網(wǎng)上共享。
功能特色
幾何及網(wǎng)格功能
● 支持STL格式幾何文件導入。
● 能夠進行自動化六面體網(wǎng)格劃分。
● 提供靈活的網(wǎng)格尺寸控制功能，包括全局控制及局部控制，并能自動根據(jù)幾何曲率調(diào)整網(wǎng)格分布。
● 能夠調(diào)入其他外部軟件生成的其他類型網(wǎng)格。
邊界條件設定及求解
● 專用的葉輪機械設定模板，多種模式可選，并通過step by step的形式引導自動完成設置。
● 可選擇不同工質(zhì)進行流動計算，并可對物性參數(shù)進行手動調(diào)整。
● 可以進行層流和湍流流動模擬，多種湍流模型可選，并可進行空化計算。
展開 WorkBench流體CFD簡易風力發(fā)電機葉輪仿真全過程
真正的風機葉片是用NACA翼形,其攻角不大于15度,考慮到葉片的強度和線速度的變化,其斷面是逐漸縮小和扭曲的.
幾何模型
Project1.rar
WorkBench流體CFD簡易風力發(fā)電機葉輪仿真全過程.rar
NUMECA FINE/Turbo葉輪機械仿真最佳解決方案之一
眾所周知，相比于通用流體計算分析，在葉輪機械流動仿真計算中，存在諸多
的問題和挑戰(zhàn)：
1、如何簡化和求取葉輪機械計算域和幾何
2、如何快速劃分高質(zhì)量葉輪機械流體通道全六面體網(wǎng)格
3、如何處理轉靜子葉片數(shù)量不等而流動干涉情況
4、如何選取一個求解速度、精度和穩(wěn)定性最好的湍流模型
5、如何選取一個精度高、計算快速、內(nèi)存需求低的求解器
6、如何選取一個快速、高效、專業(yè)的旋轉機械后處理軟件
各大主流CFD軟件廣商一直在孜孜不倦地探索和提供高效易用專業(yè)的葉輪機械
數(shù)模仿真解決方案，無論是通用CFD軟件包還是專業(yè)CFD軟件包。
面向旋轉機械的分析體系NUMECAFINE/Turbo是上述問題和挑戰(zhàn)的完美解
決者之一。
FINE/Turbo 葉輪機械氣動仿真計算流程
第一步：數(shù)據(jù)準備
方式1:由坐標數(shù)據(jù)點文件(hub.dat/shroud.dat/ps.dat/ss.dat)寫 geomturbo文件
方式2：由葉輪葉片三維模型，利用IGG逆向提取葉片數(shù)據(jù)點
第二步：網(wǎng)格劃分。
方式1：AutoGrid5向導模式劃分
方式2：AutoGrid5專家模式劃分
第三步：求解計算
在FINE/Turbo求解器中進行計算設置并求解
第四步：后處理
在CFview 中利用旋轉機械模式進行流場后處理
第五步：結果確認
根據(jù)后處理情況，確認結果可信，否則重新進行計算
展開 
ANSYS教學視頻| TBR模型在葉輪機械三維流場仿真中的應用
視頻內(nèi)容：
本視頻主要介紹了通過ANSYS CFX的TBR模型對轉靜子的單葉片通道進行瞬態(tài)仿真，從而大大降低了葉輪機械瞬態(tài)分析的計算資源與時間花費，使得瞬態(tài)分析能夠成為葉輪機常規(guī)設計的有力工具。
建議在wifi環(huán)境下觀看
↓↓
ANSYS培訓：葉輪機械系統(tǒng)關鍵問題仿真方法，時間：2017年12月20日，20：00-21：00
葉輪機械系統(tǒng)關鍵問題仿真方法，時間：2017年12月20日，20：00-21：00
http://event.31huiyi.com/896040734
課程介紹：葉輪機械設計過程中具有較多關鍵問題，對這些問題的處理方法直接關系到葉輪機械的設計質(zhì)量。本報告著重介紹了基于ANSYS仿真工具的系統(tǒng)仿真方法、通流設計流程、轉戾分析、顫振分析等關鍵問題的解決方案。
CAE仿真對汽車零部件的仿真分析（一）離合器拉力強度分析
總結：
通過對汽車離合器拉力強度分析，我們可以看出合理運用CAE仿真技術，可以有效的解決汽車研發(fā)過程中一些技術上的難點和問題，縮短研發(fā)周期從而提升產(chǎn)品的市場競爭力。
槽式太陽能聚光板支架螺栓強度仿真
槽式太陽能聚光板支架工作環(huán)境惡劣，風力會大大影響支架螺栓壽命，選擇合適的強度的螺栓能提高太陽能聚光板的使用壽命。本仿真就聚光板的螺栓進行仿真分析。
2.計算原理
由于槽式太陽能支架工作時，每天承受不同風級載荷的作用。考慮常規(guī)使用環(huán)境可能經(jīng)受的風級及可忽略情況，6-12級風載情況下對槽式太陽能支架的影響。風載工況如表所示。
3.槽式太陽能承受風載工況
序號
風載等級
換算載荷/Pa
1
4
60.23
2
6
114.56
3
8
257.5
4
10
491.25
5
12
800
3.材料屬性
仿真采用Q235剛作為聚光板支架，材料屬性如圖。
4．網(wǎng)格劃分
5.施加約束
槽式太陽能支架的連接采用剛性連接方式，方鋼與太陽能反光板支架底座上的焊接采用剛性連接，底座與反光板支架采用螺栓連接，螺栓與螺栓孔之間的接觸定義為“表面與表面接觸”，法向定義為“硬”接觸，切向定義為“罰”；在模型中反光板的與支架的連接處施加全約束。在反光板的外側施加于板面相垂直的均布荷載模擬風荷載。
6.計算結果
7.結論
鋼結構連接螺栓的性能等級分為10多個等級，例如3.6、4.0、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9。螺栓等級的特定含義是例如代表拉伸強度的等級4.8的螺栓。0.8表示強度除以拉伸強度的比，即4.8級螺栓的拉伸強度為400MPa，強度為400×0.8＝320MPa，6.8級螺栓的拉伸強度為600MPa，強度為600×0.8＝480MPa，。
承受風載條件下，載荷10級風力時，槽式太陽能托臂支架變形約為1mm，建議選用高強度螺栓。
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