抑尘车风炮叶片有限元分析

程小建，杨培佑，杨志

(长沙福田汽车科技有限公司，湖南长沙 410129)

0 引言

随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，环境污染的范围和程度也在逐渐扩大。随着国家环保要求的提高和公众环境意识的增强，今后我国大气污染的防治将成为环保领域的重点。抑尘车作为一个新兴产业应运而生并具有极大的行业增长空间，在建筑、采矿、城市PM2.5空气治理、林业、农业、畜牧业领域市场前景广阔[1]。抑尘车主要是利用车辆自带的动力系统驱动风炮各零部件，先利用高压水泵及雾化喷嘴将水雾化，再利用轴流风机将水雾送到空气中，水雾和空气中的灰尘粘合达到一定质量后再降落至地面，从而起到抑尘、降霾的作用。该车大量应用于城市街道、公共场所、建筑工地、储煤场和各种污染地和抑尘场所[2]。风炮作为产生水雾的核心部件，其轴流风机叶片由于受力环境复杂、强度和刚度性能评估困难，而且由于转速高、承受的气力压强大、作业频繁等，在实际中容易产生变形和开裂问题，特别是对于大功率抑尘车，问题更加严重。叶片问题限制着抑尘车向着更高、更远、更强大的方向发展。研究一种有效的有限元分析方法，在设计阶段评估其强度和刚度性能，就能够在设计阶段发现叶片性能的不足之处和需要改进的地方，将各种结构性能缺陷解决在设计阶段,直到通过有限元分析进行虚拟验证评估合格后，再进行产品投放和制造，将大大提高产品的成功率，对于抑尘车的发展和设计意义重大。

1 有限元分析方法确定

风炮叶片不同于传统的结构件，其造型为曲面造型，而且边界条件复杂，主要是高速旋转的离心力和气流造成的压力。叶片承担的气流压力是按照空间布置的不规则压力，因此首先必须计算出叶片的压力分布才能对其进行强度和刚度性能有限元分析。因此为了解决叶片边界条件的计算和强度刚度性能计算问题，制定了首先对风炮气力系统进行CFD分析、计算出叶片压力，然后将压力导入结构分析软件中、加载离心力对其进行强度刚度性能计算的有限元分析方法。

2 有限元分析方法实例研究

为了验证此分析方法的可行性，选取某型号抑尘车作为研究对象。此抑尘车喷射距离达到120 m，风炮直径1.2 m，转速1 600 r/min，可谓功能强大，作业能力强。

2.1 风炮CFD分析

2.1.1 风炮流体分析模型建立

根据风炮的结构和边界特点，首先对其进行网格划分，然后导入流体分析软件中进行边界条件设置，建立的流体分析模型如图1所示。其中入口为流体压力入口，压力值为0；出口为压力出口；叶片转速为1 600 r/min。

图1 风炮CFD分析模型图

2.1.2 流体分析结果

叶片速度流线图和压强云图分别如图2和图3所示。可看出：流体最大速度为123.6 m/s；叶片压强最小为-5 713 Pa，最大为2 777 Pa。

图2 风炮流线图

图3 旋转叶片气力压强云图

2.2 风炮叶片结构CAE分析

2.2.1 有限元模型建立

根据三维模型对风炮叶片进行有限元建模。螺栓使用六面体网格，叶片和轮毂等使用四面体网格。为了简化，将模型简化为1/6的对称模型。将上文计算得到的叶片压力以节点力的形式导出，导入结构静力学分析网格模型中，加载离心力和约束，设置好材料参数等。建立的有限元模型如图4所示。

图4 有限元模型图

2.2.2 材料参数

此风炮叶片采用PA66-G30材料，轮毂使用AL6061材料，其材料性能如表1所示。

表1 材料参数表

2.2.3 分析结果与评价

通过计算得出的结构静力学分析结果如表2和图5所示。可看出：叶片和轮毂最大应力均为60 MPa,安全系数均为3，高于1.5；叶片位移为5.55 mm，低于间隙8 mm。可见叶片和轮毂的强度和刚度性能均满足设计要求，无须进行优化设计。此抑尘车在实际应用中没有出现问题，可见计算结果与实际相符。

表2 风炮叶片结构静力学分析结果表

图5 结果云纹图

3 结论

以某型抑尘车风炮为研究对象，通过流体CFD分析计算出风炮叶片压力，并将其导入结构分析中，通过结构有限元分析计算出了叶片应力和叶片径向位移，通过与设计标准进行比对得出此叶片强度和刚度性能均满足设计要求。通过此实例验证了文中提出的风炮叶片有限元分析方法是可行的、有效的，有效地解决了风炮叶片性能评估难的问题。

参考文献:

[1]李治军．浅谈多功能抑尘车的结构特点[J]．大科技,2015(14)：20．

[2]黄荣明．一种智能化多功能抑尘车[J]．机电技术，2017(1)：5-7．