基于Solidworks技术的鼓风机叶轮设计的研究

王复阳（雅安职业技术学院，四川雅安　625000）



基于Solidworks技术的鼓风机叶轮设计的研究

王复阳
（雅安职业技术学院，四川雅安625000）

摘要：随着我国社会经济和科学技术的不断发展，我国工业技术水平也在不断提高，工业领域对鼓风机的应用越来越广泛。当前采用Solidworks技术对鼓风机的叶轮创建三维模型，运用系统计算分析校核和有限元分析方法，对鼓风机叶轮的结构进行优化筛选。文章通过分析Solidworks技术对鼓风机的叶轮创建三维模型，对设计的叶轮进行有限元的分析，旨在为我国的工业机械中鼓风机叶轮的设计提供参考。

关键词：Solidworks技术；鼓风机叶轮；三维建模；设计

随着我国工业领域对大功率鼓风机的广泛应用，实际生产的要求也在不断提高，传统的鼓风机叶轮设计理论已经不能满足实际生产的要求。但是我国的工业领域鼓风机设计大部分还用传统的计算方法来进行产品设计，所以优化鼓风机的设计已经成为我国鼓风机行业急需解决的问题。鼓风机的设计首先需要设计多种不同的方案，依据实际的要求设计相关的设计图。对设计的方案进行论证，最终采取最合适的方案来确定鼓风机叶轮的设计。文章主要分析利用Solidworks三维建模技术和三维有限元分析方法计算设计科学合理的鼓风机叶轮，对传统的设计方法进行优化和改进。

1　鼓风机三维建模

鼓风机有限元分析建模开始阶段，不要把大量时间浪费在构建几何形体细节与实际构件的一致性设计上，这样会使得几何建模的时间过长，不能保证计算分析顺利的进行，从而分析结果的获得难度就会增大。为了简化鼓风机建模设计的过程，可以选择建立一个等效模型，然后根据需要研究的问题确立设计的系统模型，对建模分析过程进行简化，这样的操作方式可以保证设计分析的有效性和正确性。Solidworks技术是一种三维建模和有限元分析的软件，在工业领域利用Solidworks技术主要是进行监理鼓风机零件的虚拟模型，有效保证鼓风机内部零件的工作运行性能。为了鼓风机零件性能最大程度的发挥，需要对三维模型进行简化，具体简化的方法是把鼓风机内部的倒角、圆角等小部件进行压缩，需要注意的是进行压缩的小部件是不影响整体鼓风机性能结构的零件。最后根据各个部件之间的具体应用关系，进行部件的装控，建立鼓风机的三维模型。利用Solidworks技术对鼓风机在外观和内部核心进行有限元的分析设计，最大程度的提高产品的开发效率，缩短产品开发流程。

2　鼓风机叶轮的有限元设计

（1）分析方法。我国的工业领域现在一般利用Solidworks技术中的有限元分析设计系统来进行鼓风机叶轮有限元的设计。使用有限元分析的优点就是可以将复杂的设计和验证实现速度化和规模化，提供工业机械设计中需要的设计信息。利用Solidworks技术对鼓风机叶轮通过有限元分析、探讨，得出鼓风机叶轮在承载状况下的应力分布状态，计算出鼓风机内部的失效部位，并且对失效的部位进行应力集中的加强处理，保证鼓风机叶轮结构的稳定度，提高鼓风机在具体应用中的运行性能。经常用到的有限元分析方法有：静力分析、频率分析、弯矩分析、热分析、优化设计分析等，要根据不同的鼓风机叶轮分析的需要选择合适的有限元分析方法。

图1　连续物体的离散过程

（2）有限元的计算原理。有限元就是根据物体内部划分的不同节点，把连续的物体进行离散化。用每个离散的单元来表示原来复杂的物体状态（如图1所示）。其中对于连续物体的力学分析，一般有一定的计算方法，连续物体的逼近离散计算的公式为：Ω=∑Ωe，其中Ωe表示离散单位。

研究单位的特性，主要是通过形成节点外载矩阵，再根据节点的条件取顶模式中的相关系数，根据系数的条件推导出形状函数矩阵：ue= Ne（x，y，z）qe，其中qe表示节点的自由度，Ne表示形状函数矩阵。

（3）鼓风机叶轮模型的等效处理。叶轮是鼓风机当中的主要研究对象，要对叶轮的模型进行等效处理。但是工艺孔和工艺倒角在叶轮模型建立的过程中经常会被忽略。鼓风机的强度破坏主要是因为叶轮在高速运转的过程中的离心力造成的。在有限元的计算中，鼓风机的风压和过盈配合的预应力在一般情况下是不在计算的考虑范围内。并且在建模的过程中，叶轮叶片的处理是最为关键的部分。首先要根据相关的方程确定叶片的径向曲线，曲线逐渐生成曲面，并且把曲面加厚，一般加厚的厚度为6.5mm，就可以生产叶片。把生成的叶片通过一定特征的处理就能生成鼓风机的叶片。

（4）强度问题。①定义载荷。在具体的叶轮计算的过程中，离心力作为叶轮运行的载荷，叶轮的约束的形式主要是圆周的约束，其他形式约束力可以忽略不计。②划分网格。网格划分的软件应用的关键部分是合理分析出网格自动划分的信息。Cosmos、Works为网格自动的划分提供了两种算法，分别是四面体实体单元和三角形壳体单元。两种算法的主要区别在于线性和抛物线性的区别，前者的结点比后者的结点少，所以后者的计算精度就会较高，但是也有其相对的弊端，就是因为其节点较多和计算精度较高，会占用计算机资源程度比较高，计算的时间也会增多。在进行鼓风机叶轮三维建模时，其划分单元一般采用抛物线性四面体实体单元。叶轮有限元划分分析进行中，网格划分必须要达到一定的要求，叶轮的厚度要求是6.5mm，四面体的单元的长和宽基本要接近，所以最长单元的边长要规划在6.5mm左右。③计算分析。对叶轮进行有限元的计算和分析后，如果叶轮的转速已经达到8000r/min，叶轮叶片的根部应力会出现局部的屈服，并且屈服的区域呈红色。解决局部屈服的措施有：第一，把叶片根部的直角半径扩大，从而减小应力集中的力量；第二，叶片的厚度适当的增加，减小应力集中的力量。但是扩大半径和增加厚度的同时伴随着鼓风机叶轮的重量会增加问题，所以要采取相应的措施来减小叶片的重量。一般采用的是节省材料的方法，减小离心力，保证叶轮运行强度的前提下实现叶轮重量的减小。如果叶片的厚度和根部圆角半径的逐渐增加，叶片的根部没有出现红色的区域，说明没有出现局部的屈服现象，满足了叶轮相关转速的要求。但是随着厚度和根部圆角半径的增加，材料的重量也会增加，所以要选择材质最轻的材料保证叶轮运转的合理性。

（5）叶轮与轴过盈配合。一般的鼓风机叶轮的设计孔径为265mm，轴的直径为266mm，结合1mm过盈量的轴过盈，装制叶轮的三维模型。叶轮保持静态时，孔的变形量是5个节点的连线，轴的变形量是7个节点的连线。叶轮孔中心位置的变形量在0.4mm左右，轴的中心点变形量为-0.1mm。当叶轮的转速为8000r/min时，与叶轮保持静态时的孔与轴的变形量节点的连线保持一致。综上，叶轮的转速保持在8000r/min时，叶轮孔径与轴的过盈量为正，所以叶轮和轴不会发生脱落的现象。如果过盈量小于叶轮和轴设定的过盈量，就证明叶轮和轴的配合已经符合设计的标准。

3　结语

综上所述，基于Solidworks技术的计算和分析，确定鼓风机叶轮的标准转速，在满足规定工作压力的基础上，使得叶轮和轴过盈量满足设定的叶轮转速要求。通过这样的分析设计方法，在很大程度上减小了产品研发的周期，促使生产升本的降低，创造了在工业领域更高的利用价值。

参考文献

［1］许敏.基于SolidWorks的鼓风机叶轮有限元分析［J］.东华大学学报，2015，（23）.

［2］钟佩思，孙雪颜，苏超.基于ANSYS的鼓风机轴模态分析与仿真［J］.煤矿机械，2011，（15）.

Design Research on Blower Impeller Based on Solidworks Technology

WANG fu-yang
（Ya'an Vocational Technical College，Ya'an，Sichuan 625000，China）

Abstract:With the development ofsociety，economy and science and technology，industrial technology level also rises constantly in our country，the application of the blower in industrial field becomes wider and wider.In this paper，through the analysis of Solidworks technology，3D model of the blower impeller is created，finite element analysis of the impeller is made，in order to provide reference for the design of industrial machinery blower impeller in our country.

Key words:Solidworks technology；blower impeller；3D modeling；design

中图分类号：TH44

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）05-0079-02

收稿日期：2016-04-17

作者简介：王复阳，男，四川雅安人，大学本科，助教，主要研究方向：机械设计、数控加工。