基于ANSYS的風量調節機構葉片固有頻率分析

趙小剛

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

0 引言

模態分析是確定系統振動特性的一種技術，它關注的是系統自身基本的動力特性，是所有動力學分析中最基礎的部分。

葉片工作過程中沖擊和振動不可避免，葉片的振動特性直接影響調節機構的動力特性，因此對葉片進行振動分析是評判調節機構運動特性的重要指標。本文采用有限元分析方法，對于風量調節機構的葉片的動力特性進行了分析計算。

1 建立葉片計算模型

論文在第三章中已采用Pro/E 軟件完成了風量調節機構所有零件的三維建模及整機裝配，本章將Pro/E 中將建立的.PRT 文件模型另存為.iges 格式后導入到ANSYS13.0 中，并重新進行關鍵點合并、實體產生、小面積的刪除等處理，以得到準確的計算模型。將Pro/E 中建立的模型導入到ANSYS13.l 后，利用ANSYS13.1 的模態分析功能對主要零件及結構做模態分析。所建立的葉片的計算模型如圖1 所示。

2 網格劃分

鑒于高階三維實體單元SOLID187 適合于CAD 中不規則的復雜模型，單元具有塑性、高彈性、蠕變、膨脹應力剛化、大變形、大應變等功能。因此本文選擇單元庫中的Tet 10node 187 作為葉片的實體單元。葉片的材料采用45 鋼，材料屬性中彈性模量泊松比μ=0.3、密度ρ=(7.85×10-3)kg/m3。考慮自由網格劃分對于單元形狀沒有限制，也沒有特殊的規則，實體模型的構建很簡單，故對所建立的計算模型進行自由網格劃分，得到有限元模型如圖2 所示。

圖1 葉片模態分析的計算模型

圖2 葉片有限元網格模型

3 建立計算邊界條件

計算邊界條件如圖3。邊界條件施加的坐標系見4。坐標系為圓柱坐標系。在與葉片垂直的表面施加均布載荷約束。

圖3 葉片模態分析的溫度條件

圖4 葉片模態分析的計算坐標系

4 加載和求解

加載即施加約束，主要是定義對節點自由度的限制。針對結構特點和分析要求，本文通過Define Loads 設置約束，首先將約束面設置為葉片旋轉端的軸表面，并約束所有自由度，（對話框中選擇ALL DOF）。在求解之前，先設定分析類型為模態(moda1)分析，并選擇block lanczos 作為模態提取方法。由于低階模態在結構動力學分析中作用更為突出，因此在模態級數和模態擴展數文本框中輸入6，再進行求解。通過求解計算，即可獲得葉片的6 階模態的固有頻率，如表1所示。求解完成后，采用ANSYS 的后處理功能，可讀取求解結果，顯示結果圖形或列表顯示結果。葉片分析計算結果匯總如表1 所示。葉片各階模態及振型如圖5-圖10 所示。

表1 葉片的固有頻率計算結果

圖5 葉片1 階模態及振型

圖6 葉片2 階模態及振型

圖7 葉片3 階模態及振型

圖8 葉片4 階模態及振型

圖9 葉片5 階模態及振型圖

圖10 葉片6 階模態及振型

5 結論

計算結果表明，所設計的風量調節機構葉片的1-6 階固有頻率遠遠避開驅動端轉速和非驅動端轉速，不會發生共振。風量調節機構的動力特性良好。