利用ansys WORKBENCH分析離心式壓縮機半開式葉輪強度

2017-03-02 by:CAE仿真在線來源:互聯網

本文主要應用ANSYS-Workbench environment,對離心式壓縮機半開式葉輪進行的強度分析,以及結構優化后所得到結果與原結果的對比分析。分析過程充分突出了ANSYS-Workbench 的快捷與實用。

1 前言
自我廠成功設計開發了陜西神木2.8 萬NM3/H 空分裝置用離心壓縮機(H467),實現了壓縮機設計史上的重大突破,開創了我廠大型空分裝置用懸臂離心壓縮機組的自行設計制造的新天地,該成果的意義是深遠的,社會和經濟效益也是巨大的。鑒于首級輪的特點,設計者往往要對它的力學性能保持高度重視。本文應用ANSYS Workbench 軟件對首級半開式葉輪進行強度分析,并且根據分析所得結果,對原有結構進行優化改進。
ANSYS Workbench 是用ANSYS 求解實際問題的新一代產品,它給ANSYS 的求解提供了強大的功能。這種環境為CAD 系統提供了全新的平臺,保證了最好的CAE 結果。
目前我廠主要使用ANSYS Mechanical 中的結構力學分析部分(Structure 模塊)該工具有如下技術特點:
1. 雙向參數互動的CAD 接口
2. 智能網格生成器
3. 各種結果的數據處理
4. 各種結果的圖形及動畫顯示
5. 全自動生成計算報告等。
2 利用SOLIDWORKS 2008 對該葉輪進行三維造型并轉入AWE前處理
使用SOLIDWORKS 軟件進行建模。作為著名CAD 軟件之一,個人覺得它非常適合與ANSYS 進行數據共享。尤其對一些大型壓縮機整體承重分析,更能體現其與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,作為實體的一個截面數據,通過旋轉實體命令可生成實體。對于此類葉輪,如僅是三維造型,則會有很多方式去實現它,但我為了使該模型在ANSYS 中得到更好的應用效果,所以對其做了一部份局部的細節處理: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。總結以往工作經驗,發現利用軟件中的曲面包絡建立的模型,無論從外觀效果,還是局部的合理化程度,都達到了很高的水準。葉輪三維效果如圖1 所示。
2.2通過軟件接口將模型數據傳入AWE分析
ANSYS Workbench 擁有強大的雙向參數互動的CAD 接口,它能輕易地實現CAD 與Workbench 間的數據傳遞,并且可以提供參數的雙向互動,這些帶給設計人員更加便捷的工作效率。特別是對一項工作需要優化并反復修改時,它方便快捷的優勢體現的更加淋漓盡致。
通過ANSYS 接口,選擇將葉輪導入DM(Design Modeler),應用Surface body 將輪盤表面作為待選面,凍結(Frozen)實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葉片與輪盤分離效果,對所有實體使用Form New Part 命令,將其轉化為多體零件(Multibody Parts )用來使各個實體間共享相同節點。
將處理后的幾何特征在DS(Design Simulation )中進行Sweep 分網,得到我所需要的兩層葉片效果(見圖2)。鑒于葉片結構特征,厚度方向尺寸遠小于其他部分尺寸,這樣做是為了得到更加準確的仿真結果。

3 后續工作及優化方案

計算得Equivalent (Von-mises) 值為756.91 Mpa,位于葉片根部(見圖3)。在此希望將應力降低到750Mpa以下來滿足客戶的要求。考慮若干方案后,決定通過修改葉片參數來實現。通過我廠NREC氣動計算程序求出了4個文件:
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應的空間曲線X、Y、Z、R 參數。我在此計算了其中的一例:將葉片靠近輪盤側厚度加3mm,頂側厚度加1mm 。如加的太厚,則會影響氣動,降低整機效率是不可接受的結果。
修改后的模型可以快速通過雙向參數互動的CAD 接口導入,該接口使得優化結果無需多次存盤,避免了繁多的優化數據文件,可以在Project 里羅列出全部的優化方案,一目了然,無形中縮短了設計周期,提高了效率。
本次優化結果Equivalent (Von-mises) 值為733.92 Mpa,且最大應力區域沒有轉移(見圖4),達到了優化目的。