基于Workbench的T35型矿用通风机叶片动频仿真分析

2020-10-18宋鹏飞

机械管理开发 2020年9期

宋鹏飞

（山西焦煤西山煤电集团有限公司屯兰矿，山西古交 030206）

引言

通风机具有高效、噪音小、结构紧凑等特点，被广泛应用于隧道、煤矿矿井、建筑、工厂车间等需要大量空气通入的环境。随着科学的进步，通风机也发展出了许多种类型适用于不同的环境，同时通风机的结构也日趋复杂，为了保障通风机的使用寿命以及可靠性，需要对其结构进行深入研究。

通风机是一种大型回转机械，通常情况下通风机的故障主要源自叶片，主要故障类型包括叶片与轮毂连接处产生裂纹或者是叶片发生折断。高速旋转可能会导致叶片与通风机轮毂产生共振，故障源之间存在较为复杂的耦合关系。本文基于Workbench建立了叶片通风机的有限元模型，模拟分析了叶片的固有频率，为研究叶片结构与通风机故障频率之间关系研究提供参考。

1 T35型矿用通风机简介

轴流式通风机使用广泛，之所以称之为“轴流式”是因为空气流体运动方向与风机主轴相平行，主要适用于流量较高而压力相对较低的场景。一般轴流式通风机结构简单，相对可靠性好，但是由于叶片受到载荷情况复杂，常发生故障[1]。

图1所示为本文研究的对象即T35型矿用通风机。该型矿用通风机主要由叶轮、机壳、电机、集流器、整流罩、扩散器组成。电机直接驱动叶轮，叶轮的旋转带动叶片旋转，从而实现对空气流体的做功。叶片的主要功能是对流体进行加压，在真空期通过整流罩进行机内加压完成，然后排出气体。扩压器的作用是回收出口动压并将其转变为静压，叶片是主要承载部位[2]。

图1 T35型矿用通风机

T35矿用通风机的主要技术指标如表1所示，主要包括通风机风量、风压、转速等性能参数，具体几何参数在此不再赘述，依据通风机的工程图纸建立通风机的三围模型[3]。

表1 T35通风机主要技术指标

2 流固耦合分析基础

随着计算机计算与数值分析计算的发展，使得应用计算机计算流固耦合分析成为可能，流固耦合是流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）和固体力学（Computational Solid Mechanics，CSM）交叉而产生的一种新的力学研究方法，主要用以解决固体与流体相互作用产生的力传递[4]。

借助有限元理论实现应用计算机解决流固耦合的问题，主要途径是将流体分析计算的结果（载荷）传递给固体结构分析，该过程同样遵循基本的一些守恒原则，是高效、用途广泛的计算工具。

本文中计算了叶片在额定功率载荷工况下的四阶固有频率，Workbench中的动力学基本公式可以表示为式（1）[5]：

式中：[M]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为刚度矩阵；F（t）为系统所受外力。

在计算模型的模态时，[C]一般可以忽略，在计算机求解过程中，通常需要进行两次迭代。首先是线性静态分析，即[K]{x0}={F}，第二步迭代需要考虑在静态分析基础上考虑硬化矩阵[S]，然后求解结构的模态，在此不再对软件计算分析过程做过多说明。

3 仿真模型建立

首先，利用Solid Works三维软件，建立通风机的三维实体模型，以通用STP格式导入Workbench。在进行流固单向耦合分析之前，需要创建通风机内的气流流道。在 Workbench中应用“Fill”和“Enclosure”这两个特征进行创建，建立了一个1 000×1 000×2 000的立方体流动通道，通风机模型置于流体通道正中央[6]。

接下来进行模型网格划分，对几何体所有固体部件进行抑制，选择流体域对模型进行布尔操作，流体域的网格与几何实体的网格单独划分。选择所有流体域，选择网格划分方法，插入Method选项，点击Generate Mesh，对流体域划分一共生成节点4 184个，流体结构单元168 713个。

然后进行CFX边界处理，图2所示为CFX前处理设置。其中，设置流体域的材料为Air at 25℃，空气压力设置为1 atm。对于流体域设立边界条件时，除进出口两侧外均设定为Wall（墙）。

图2 CFX前处理设置

4 仿真结果分析

分别计算了通风机在额定功率的载荷工况下叶片压力分布情况和叶片在该工况下4阶固有频率和振型。已知，在进行有预应力的模态分析时，首先在静力学分析模块中约束流体部件，然后利用CFX计算叶片上的压力载荷（Imported Load）。基于此方法，计算得到通风机叶片在流体作用下的表面压力，如图3所示。

求解叶片固有频率，对该分析模型插入固定约束，计算叶片的前四阶模态，提取计算结果，如图4所示，列出了叶片的第一阶和第四阶模型的计算结果。第一至四阶固有频率计算结果为155.41 Hz、524.16 Hz、864.92 Hz、1 332.32 Hz。叶片的固有频率对于通风机结构设计、可靠性研究具有重要意义。