基于Solidworks技術的鼓風機葉輪設計的研究

王復陽（雅安職業技術學院，四川雅安　625000）

?

基于Solidworks技術的鼓風機葉輪設計的研究

王復陽
（雅安職業技術學院，四川雅安625000）

摘要：隨著我國社會經濟和科學技術的不斷發展，我國工業技術水平也在不斷提高，工業領域對鼓風機的應用越來越廣泛。當前采用Solidworks技術對鼓風機的葉輪創建三維模型，運用系統計算分析校核和有限元分析方法，對鼓風機葉輪的結構進行優化篩選。文章通過分析Solidworks技術對鼓風機的葉輪創建三維模型，對設計的葉輪進行有限元的分析，旨在為我國的工業機械中鼓風機葉輪的設計提供參考。

關鍵詞：Solidworks技術；鼓風機葉輪；三維建模；設計

隨著我國工業領域對大功率鼓風機的廣泛應用，實際生產的要求也在不斷提高，傳統的鼓風機葉輪設計理論已經不能滿足實際生產的要求。但是我國的工業領域鼓風機設計大部分還用傳統的計算方法來進行產品設計，所以優化鼓風機的設計已經成為我國鼓風機行業急需解決的問題。鼓風機的設計首先需要設計多種不同的方案，依據實際的要求設計相關的設計圖。對設計的方案進行論證，最終采取最合適的方案來確定鼓風機葉輪的設計。文章主要分析利用Solidworks三維建模技術和三維有限元分析方法計算設計科學合理的鼓風機葉輪，對傳統的設計方法進行優化和改進。

1　鼓風機三維建模

鼓風機有限元分析建模開始階段，不要把大量時間浪費在構建幾何形體細節與實際構件的一致性設計上，這樣會使得幾何建模的時間過長，不能保證計算分析順利的進行，從而分析結果的獲得難度就會增大。為了簡化鼓風機建模設計的過程，可以選擇建立一個等效模型，然后根據需要研究的問題確立設計的系統模型，對建模分析過程進行簡化，這樣的操作方式可以保證設計分析的有效性和正確性。Solidworks技術是一種三維建模和有限元分析的軟件，在工業領域利用Solidworks技術主要是進行監理鼓風機零件的虛擬模型，有效保證鼓風機內部零件的工作運行性能。為了鼓風機零件性能最大程度的發揮，需要對三維模型進行簡化，具體簡化的方法是把鼓風機內部的倒角、圓角等小部件進行壓縮，需要注意的是進行壓縮的小部件是不影響整體鼓風機性能結構的零件。最后根據各個部件之間的具體應用關系，進行部件的裝控，建立鼓風機的三維模型。利用Solidworks技術對鼓風機在外觀和內部核心進行有限元的分析設計，最大程度的提高產品的開發效率，縮短產品開發流程。

2　鼓風機葉輪的有限元設計

（1）分析方法。我國的工業領域現在一般利用Solidworks技術中的有限元分析設計系統來進行鼓風機葉輪有限元的設計。使用有限元分析的優點就是可以將復雜的設計和驗證實現速度化和規模化，提供工業機械設計中需要的設計信息。利用Solidworks技術對鼓風機葉輪通過有限元分析、探討，得出鼓風機葉輪在承載狀況下的應力分布狀態，計算出鼓風機內部的失效部位，并且對失效的部位進行應力集中的加強處理，保證鼓風機葉輪結構的穩定度，提高鼓風機在具體應用中的運行性能。經常用到的有限元分析方法有：靜力分析、頻率分析、彎矩分析、熱分析、優化設計分析等，要根據不同的鼓風機葉輪分析的需要選擇合適的有限元分析方法。

圖1　連續物體的離散過程

（2）有限元的計算原理。有限元就是根據物體內部劃分的不同節點，把連續的物體進行離散化。用每個離散的單元來表示原來復雜的物體狀態（如圖1所示）。其中對于連續物體的力學分析，一般有一定的計算方法，連續物體的逼近離散計算的公式為：Ω=∑Ωe，其中Ωe表示離散單位。

研究單位的特性，主要是通過形成節點外載矩陣，再根據節點的條件取頂模式中的相關系數，根據系數的條件推導出形狀函數矩陣：ue= Ne（x，y，z）qe，其中qe表示節點的自由度，Ne表示形狀函數矩陣。

（3）鼓風機葉輪模型的等效處理。葉輪是鼓風機當中的主要研究對象，要對葉輪的模型進行等效處理。但是工藝孔和工藝倒角在葉輪模型建立的過程中經常會被忽略。鼓風機的強度破壞主要是因為葉輪在高速運轉的過程中的離心力造成的。在有限元的計算中，鼓風機的風壓和過盈配合的預應力在一般情況下是不在計算的考慮范圍內。并且在建模的過程中，葉輪葉片的處理是最為關鍵的部分。首先要根據相關的方程確定葉片的徑向曲線，曲線逐漸生成曲面，并且把曲面加厚，一般加厚的厚度為6.5mm，就可以生產葉片。把生成的葉片通過一定特征的處理就能生成鼓風機的葉片。

（4）強度問題。①定義載荷。在具體的葉輪計算的過程中，離心力作為葉輪運行的載荷，葉輪的約束的形式主要是圓周的約束，其他形式約束力可以忽略不計。②劃分網格。網格劃分的軟件應用的關鍵部分是合理分析出網格自動劃分的信息。Cosmos、Works為網格自動的劃分提供了兩種算法，分別是四面體實體單元和三角形殼體單元。兩種算法的主要區別在于線性和拋物線性的區別，前者的結點比后者的結點少，所以后者的計算精度就會較高，但是也有其相對的弊端，就是因為其節點較多和計算精度較高，會占用計算機資源程度比較高，計算的時間也會增多。在進行鼓風機葉輪三維建模時，其劃分單元一般采用拋物線性四面體實體單元。葉輪有限元劃分分析進行中，網格劃分必須要達到一定的要求，葉輪的厚度要求是6.5mm，四面體的單元的長和寬基本要接近，所以最長單元的邊長要規劃在6.5mm左右。③計算分析。對葉輪進行有限元的計算和分析后，如果葉輪的轉速已經達到8000r/min，葉輪葉片的根部應力會出現局部的屈服，并且屈服的區域呈紅色。解決局部屈服的措施有：第一，把葉片根部的直角半徑擴大，從而減小應力集中的力量；第二，葉片的厚度適當的增加，減小應力集中的力量。但是擴大半徑和增加厚度的同時伴隨著鼓風機葉輪的重量會增加問題，所以要采取相應的措施來減小葉片的重量。一般采用的是節省材料的方法，減小離心力，保證葉輪運行強度的前提下實現葉輪重量的減小。如果葉片的厚度和根部圓角半徑的逐漸增加，葉片的根部沒有出現紅色的區域，說明沒有出現局部的屈服現象，滿足了葉輪相關轉速的要求。但是隨著厚度和根部圓角半徑的增加，材料的重量也會增加，所以要選擇材質最輕的材料保證葉輪運轉的合理性。

（5）葉輪與軸過盈配合。一般的鼓風機葉輪的設計孔徑為265mm，軸的直徑為266mm，結合1mm過盈量的軸過盈，裝制葉輪的三維模型。葉輪保持靜態時，孔的變形量是5個節點的連線，軸的變形量是7個節點的連線。葉輪孔中心位置的變形量在0.4mm左右，軸的中心點變形量為-0.1mm。當葉輪的轉速為8000r/min時，與葉輪保持靜態時的孔與軸的變形量節點的連線保持一致。綜上，葉輪的轉速保持在8000r/min時，葉輪孔徑與軸的過盈量為正，所以葉輪和軸不會發生脫落的現象。如果過盈量小于葉輪和軸設定的過盈量，就證明葉輪和軸的配合已經符合設計的標準。

3　結語

綜上所述，基于Solidworks技術的計算和分析，確定鼓風機葉輪的標準轉速，在滿足規定工作壓力的基礎上，使得葉輪和軸過盈量滿足設定的葉輪轉速要求。通過這樣的分析設計方法，在很大程度上減小了產品研發的周期，促使生產升本的降低，創造了在工業領域更高的利用價值。

參考文獻

［1］許敏.基于SolidWorks的鼓風機葉輪有限元分析［J］.東華大學學報，2015，（23）.

［2］鐘佩思，孫雪顏，蘇超.基于ANSYS的鼓風機軸模態分析與仿真［J］.煤礦機械，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

中圖分類號：TH44

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）05-0079-02

收稿日期：2016-04-17

作者簡介：王復陽，男，四川雅安人，大學本科，助教，主要研究方向：機械設計、數控加工。