基于ANSYS workbench六片斜叶圆盘涡轮搅拌器的模态分析

马崇斌　祁祥松　梁之西　王建鹏

摘 要：六片斜叶圆盘涡轮搅拌器是压力容器中重要的工作部件，其转动速度的大小和稳定直接关系到压力容器的工况能否正常运行，结合UG6.0对相应的六片斜叶圆盘涡轮搅拌器进行简化和实体建模。将简化过的模型导入ANSYS Workbench的模态分析模块，结合相应的预应力分析模块对工况转速条件下的六片斜叶圆盘涡轮搅拌器模态进行分析，分析六片斜叶圆盘涡轮搅拌器的前六阶的模态，通过模态分析得到各阶固有频率和实际工况转速相比较，为研究压力容器的结构优化和振动分析提供了理论基础。

关键词：斜叶圆盘涡轮；搅拌轴；ANSYS；模态分析

引言

六片斜叶圆盘涡轮搅拌因其具有循环性能好，动力消耗低等特点，在石油，化工等行业的应用尤为突出。六片斜叶圆盘涡轮搅拌器主要工作部件是一具有离心轮状的圆盘，当搅拌轴转动时，物料沿轮状圆盘的轴向由中心孔进入叶轮，在各小叶片作用下而获离心加速度，向转轴中心流窜产生涡流而达到搅拌混的目的.所以，在实际工况的低速旋转中，整个搅拌器的结构刚度受到转速的影响而发生改变。故对实际工况下的搅拌器子进行模态分析是十分必要的。

1 六片斜叶圆盘涡轮搅拌器的模态分析方法

应用模态分析方法确定搅拌器的动态特性包括固有频率表，振型和稳态响应。利用有限元法求解具有不规则集合搅拌器模态，考虑相应软件中的 ANSYS Workbench 的线性模态分析方法，因此结合振动学可知，多自由度无阻尼振动方程为（1）：

2 六片斜叶圆盘涡轮搅拌器的模型建立

参考实际搅拌器尺寸，采用 UG6.0 绘制搅拌器的三维实体模型，为提高后期网格质量和结果分析的准确性。仅仅选取搅拌器主体模型。

去除倒角，装配凹槽等细节模型。保留相应的主轴阶梯状结构，为后期施加提供位置标识。

3 六片斜叶圆盘涡轮搅拌器的模态分析

参照搅拌器的实际工况可知，搅拌器由两侧的轴承固定约束，轴承有一定的刚度和阻尼。而在 ANSYS Workbench中的模态分析环节，一般选用计算方法的为线性计算方法，即忽略阻尼对搅拌器系统影响，因此对搅拌器系统的轴承处施加圆柱约束，保证搅拌器符合实际工况条件下的约束。参考该搅拌器的额定转速，对整体斜叶圆盘涡轮搅拌器施加相应的旋转速度，该型号的六片斜叶圆盘搅拌器的额定转速n为1500r/min，即则157rad/s，f=n/60=25Hz。设定求解变形量和应力值并进行求解计算。所得静力分析的结果作为模态分析的基础，直接利用 ANSYS Workbench 自带的模块化操作，对斜叶圆盘搅拌器进行模态分析。分析方法采用系统默认的 Block Lanczos 算法，即模态叠加法。速度更快，对线性无阻尼的计算较为适合，因搅拌器的共振一般发生于低阶固有频率的共振，因此设置模态求解为前6阶，经过求解可得转子前六阶段的固有频率。

由该六片斜叶圆盘涡轮搅拌器的额定工况可知，f=25Hz，因此工况转速的激振频率远远低于该六片斜叶圆盘涡轮搅拌器的一阶固有频率，因此不会引起共振的发生。

4 结束语

（1）该六片斜叶圆盘涡轮搅拌器在额定转速下的整体刚度变化较小，最大应力为 0.192 MPa，对整体刚度影响较小，可以不予考虑。（2）该六片斜叶圆盘涡轮搅拌器额定工况下一阶固有频率远高于额定工况，同时其一阶固有频率也远高于该搅拌器的通过频率，其设计符合要求。（3）基于 ANSYS Workbench 的模态分析能够结合搅拌器的实际工况对搅拌器的固有频率及其影响因素进行分析，方便快捷。

参考文献

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[4]张平亮.搅拌器的选择和设计[J].石油化工设备技术，1996，17：25-27.

作者简介：马崇斌（1993-），男，汉，黑龙江鹤岗，在读研究生，硕士，山东科技大学，研究方向：动力工程。

祁祥松（1991-），男，汉族，山东济南，在读研究生，硕士，山东科技大学，研究方向：机械工程。

梁之西（1993-），男，汉族，山东济南，在读研究生，硕士，山东科技大学，研究方向：机械工程。

王建鹏（1992-），男，汉族，山东潍坊，在读研究生，硕士，山东科技大学，研究方向：机械工程。