基于流固耦合的除雜風機應力應變及模態研究

鐘家勤，李尚平，麻芳蘭，何永玲，潘宇晨，孫 騰，李 政

(1.欽州學院 機械與船舶海洋工程學院， 廣西 欽州 535000；2.廣西民族大學 化學化工學院，南寧 530006；3.廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

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基于流固耦合的除雜風機應力應變及模態研究

鐘家勤1，李尚平2，麻芳蘭3，何永玲1，潘宇晨1，孫 騰1，李 政3

(1.欽州學院 機械與船舶海洋工程學院， 廣西 欽州 535000；2.廣西民族大學 化學化工學院，南寧 530006；3.廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

葉輪是除雜風機的重要部件之一，葉輪在運行中的應力應變對除雜風機的安全運行有著重要的影響，而葉輪振動是風機的常見故障，所以流固耦合條件下的除雜風機葉輪變形及振動分析對甘蔗收獲機除雜風機的安全有著重要的意義。為此，采用有限元分析軟件Ansys Workbench對除雜風機葉輪進行了單向流固耦合計算分析，結果表明：葉輪在流固耦合作用下會發生彎曲扭振變形，最大應力分布在葉片與輪轂的交界處，最大應變分布在葉片外緣處；所設計的葉輪最大應力為21.48MPa，小于材料極限應力，而工作轉速也遠離振動轉速，均滿足工作要求。該研究為甘蔗收獲機的除雜風機設計提供了參考。

甘蔗收獲機；除雜風機；流固耦合；應力應變；模態分析

0 引言

廣西甘蔗種植面積大，已占到我國糖料總面積的65%左右[1-2]，如果還是依靠人工收獲清除雜質，就會消耗大量的人力、時間與生產成本，這是糖廠所不能接受的。研制出合理、有效的除雜裝置，解決甘蔗收獲雜質多的問題，對于實現甘蔗收獲全程機械化、提高生產效率、降低生產成本具有實際意義。

甘蔗收獲機的除雜主要使用軸流式風機進行[3-5]。除雜裝置位于整機的后方，具有單獨的物流通道，氣體在軸向方向上被旋轉風機葉片壓縮排出，雜質被氣流吸入通道排出。文獻[5-7]指出，使用這種除雜裝置的甘蔗收獲機收獲的甘蔗夾雜物依然較多。針對此問題，文獻[8]設計了一種新型風機，并且對風機進行了試驗研究，以排雜風機出風口速度為指標，找到了風機的最佳性能參數。文獻[9]設計了一種切段式甘蔗聯合收割機，該機排雜裝置比較有效地解決了甘蔗除雜問題。這些研究從一定程度上為甘蔗收獲機的除雜裝置機械設計奠定了基礎。

甘蔗收獲機除雜裝置中，葉輪是除雜風機的重要部件之一。為此，采用有限元分析軟件對除雜風機葉輪進行單向流固耦合分析，得到了除雜風機內部的流動規律，并對葉輪在流固耦合作用下的應力、應變及振動模態特性進行分析，為甘蔗收獲機的機械設計提供理論基礎。

1 風機結構與工作原理

基于以上問題，設計了一種側面鼓風式除雜風機，如圖1所示。

1.切梢器 2.扶分蔗輥 3.壓蔗輥 4.輔助喂入輥 5.切割器 6.夾持輸送裝置 7.除雜風機 8.輸出裝置 9.剝葉斷尾機構圖1 收割機簡圖Fig.1 Structure of the sugarcane harvester

除雜風機安裝在整稈式甘蔗收獲機物流通道的后方。收獲機工作時，甘蔗由扶分蔗輥扶起，切梢器切割甘蔗末梢，經過壓蔗輥把甘蔗壓倒一定角度，切割器在輔助喂入輥的幫助下，切割甘蔗；夾持輸送裝置將切割好的甘蔗送入剝葉斷尾機構，進行蔗桿與蔗葉的分離工作，由輸出裝置把甘蔗送出；除雜風機通過側面吹風，將甘蔗與雜質分離干凈。側面鼓風式除雜風機相對于目前的抽風式除雜方式來說，具有克服阻力小、功耗小的優點，能夠有效解決甘蔗與雜質分離不徹底的問題。

2 除雜風機數值計算

2.1 除雜風機結構參數

根據文獻[10],本文的研究對象是甘蔗收獲機的除雜風機，其設計參數為：流量Q=15 012m3/h，全壓P=280Pa，轉速n=1 450r/min，葉輪直徑為0.63m，葉片數為3片。根據文獻[11]，葉片的葉型是決定除雜風機性能的關鍵，因而選用CLARK-y葉型。

設計的除雜風機葉輪材料為Q235，其性能參數如表1所示。

表1 葉輪材料物理性能參數

2.2 型的建立

根據上節的結構參數利用三維軟件SolidWorks建立除雜風機的三維模型，如圖2所示。

圖2 三維模型Fig.2 Dimensional Model

2.3 內部流場數值計算

葉輪周圍的流體是影響整個流場的重要因素，同時除雜風機在實際工作時還有入口和出口，因此除雜風機的流場計算域為入口區域、葉輪旋轉區域及出口區域。采用Meshing對葉輪與流體域進行網格劃分，由于葉片形狀復雜，為了提高計算精度，采用非結構四面體網格。劃分的節點數為207 949，劃分的網格數量為133 789，如圖3(a)所示。除雜風機的內部流道較為復雜，旋轉流域由葉輪表面及旋轉流域組成，采用非結構網格劃分；入口區域與出口區域形狀較規則，采用結構網格劃分，得到節點數目為319 262，網格數目為1 756 930，如圖3(b)所示。

采用流體計算軟件CFX對除雜風機內部流場進行數值計算，采用速度進口邊界條件，湍流強度為5%，速度為10.7m/s；出口采用壓力出口邊界條件；在入口區域、旋轉區域及出口區域三者之間交界面，采用凍結轉子法處理，均采用動靜交界面；出入口區域壁面采用固壁條件，葉輪、旋轉區域壁面采用轉動條件，壁面速度滿足無滑移條件[12]。除雜風機的流體運動屬于低速運動，可以忽略流體的可壓縮性，選擇air at 25℃材料模型。采用RNG k-ε模型，流體控制方程包括動量方程、連續方程以及k方程和ε方程。RNG k-ε模型為

Gk+Gb-ρε-Ym+SK

(1)

(2)

其中，k、ε分別為湍動能和湍流耗散率；Gk為由層流速度梯度產生的湍流動能；Gb為浮力產生的湍流動能；Ym為可壓縮湍流種，過度擴散產生的波動；C1、C2、C3為常量；?k和?e是K方程和e方程的湍流Prandle數；Sk和Se由用戶定義。

求解方法采用SINMPLE算法，求解控制采用分離式求解器，差分格式選擇高階格式，收斂標準設置為1×10-4，迭代次數為1 000次。

圖3 網格劃分Fig.3 Meshing results

2.4 單向耦合過程

除雜風機葉輪的固體結構變形小，對流體的影響可以忽略不計，只將CFD分析計算結果傳遞給固體結構分析，而沒有固體結構分析結果傳遞給流體分析過程。因此，采用單向耦合方法可以很好地分析流體分析對固體分析的影響。在前面的除雜風機流場數值模擬中，已得出了流體對葉輪表面的壓力大小以及分布情況。采用ANSYS Workbench中的多物理場耦合功能，建立流場和靜力場的耦合系統，并通過數據傳輸將流場壓力傳輸到葉輪表面。在靜力場中，只需要將相應表面的流場壓力加載到實體模型相應表面，將葉輪的輪轂表面及葉片的正面與背面的壓力傳輸到葉輪表面。整個耦合計算在ANSYS Workbench中的Static Strural模塊下進行。整體有限元方程為

Mδ+Cδ+Kδ=Qc+P+R-Fδ

(3)

其中，M為結構質量矩陣；C為結構阻尼矩陣；K為結構剛度矩陣；Qc為結構在初始狀態下的離心力載荷向量；P為結構表面上的等效節點載荷向量；R為節點集中力向；Fδ為結構除應力引起的等效節點載荷向量。

2.5 模態分析

葉輪是除雜風機的關鍵部件，在振動作用下容易發生破損或者斷裂，因此對其進行振動分析有著重要的意義。

模態分析主要用來分析結構的振動屬性，葉輪的固有頻率和模態振型是其固有特性，與結構的質量和剛度的分布有關。根據文獻[13-14]對葉輪進行模態分析，得到固有頻率以及振型。

3 結果與分析

3.1 內部流場分析

在數值計算結束后，使用CFD-Post后處理器，得到除雜風機的內部流動狀態，為后續的應力應變及模態分析提供數據。圖4和圖5分別是除雜風機吸力面和壓力面的靜壓分布。

圖4 吸力面靜壓分布Fig.4 Suction surface static pressure distribution

圖5 壓力面靜壓分布Fig.5 Pressure surface static pressure distribution

綜合分析可以得出：在葉尖邊緣部分出現一段壓力集中區，葉根部分的線速度較小、氣流較弱，靠近葉根部分壓力較小；葉輪壓力面靠近出口處的輪緣出現一個明顯的低壓區，是實際工作中葉片最容易發生氣動分離的位置，與工程實際情況相吻合；除雜風機葉輪吸力面壓力大于相應位置的壓力面的壓力。

3.2 應力應變結果分析

除雜風機中的流體作用于葉輪，即為氣動載荷，同時加載自身重力以及離心力，得到除雜風機的應力應變云圖如圖6、圖7所示。

由圖6可以得出：最大的應力為21.48MPa，并沒有超過材料的極限應力，可知重力、離心力及氣動載荷共同作用力對除雜風機的葉輪影響比較小。從整個應力、應變云圖中可以看出：最大應力分布在葉片與輪轂的交界處，最大應變分布在葉片外緣處；共同力作用下的應力應變云圖都呈現中心對稱狀態。

3.3 結果分析

根據前面的應力應變結果分析可知，流固耦合對結構強度有一定的影響。由于葉輪結構模態受到預應力的影響，因此有必要分析基于流固耦合的葉輪結構模態的變化情況，得到的葉輪模態前5階振型結果如圖8所示。

根據圖8的振型圖及計算結果，最終得到的模態分析結果如表2所示。

圖6 應力云圖Fig.6 Stress cloud

圖7 應變云圖Fig.7 Strain cloud

圖8 葉輪前5階振型Fig.8 Five front wheel vibration mode表2 除雜風機模態分析結果Table 2 Impurity removal fan modal analysis results

階數頻率/Hz臨界轉速/r·min-1振型描繪1465.1427908.4彎曲擺動2465.8727952.2彎曲擺動3466.3427980.4彎曲扭轉41063.863828彎曲扭轉51064.963894彎曲扭轉

綜合分析可以得出：將自身重力、離心力及氣動載荷加載作用后，除雜風機各階模態頻率有了一定的提高；由于離心力及葉片受到氣動載荷作用，使得風機葉輪剛度提高，從而影響其固有頻率。葉輪各階模態的臨界轉速為n=60f，得到各階模態的臨界轉速如表2所示。通常情況下，1階臨界轉速下振動最為激烈，葉輪1階臨界轉速為27 908.4 r/min，而工作轉速為1 450r/min，遠比1階臨界轉速的低，因此不會產生共振，所設計的風機能夠滿足工作要求。

4 結論

通過SolidWorks三維軟件設計的三維模型，利用有限元分析軟件Ansys Workbech對除雜風機葉輪進行單向流固耦合分析。通過Ansys CFX進行流場分析，得到除雜風機內部的流動規律，同時結合Static Strutural及Modal模塊，得到葉輪在氣固耦合作用下的應力分布、變形及振動模態等特性。結果表明：所設計的甘蔗收獲機除雜風機滿足要求，為后續的結構改進提供了一定的參考依據。

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Stress-strain and Model Analysis on Impurity Removal Fan Based on Fluid-structure Interaction

Zhong Jiaqin1,Li Shangping2, Ma Fanglan3, He Yongling1, Pan Yuchen1, Sun Teng1, Li Zheng3

(1.College of Mechanical and Marine Engineering, Qinzhou University, Qinzhou 535000, China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China; 3.College of Mechanical Engineering, Nanning 530004, China)

The impeller is one of the important components of impurity removal fan. The stress-strain of the impeller has a significant impact on safe operation and the impeller vibration is common malfunctions. So the analysis of stress-strain and vibration of the impeller under fluid-structure interaction is of great significance for the security of impurity removal fan. Fluid-structure interaction computation analysis was carried out on the impurity removal fan using the finite element analysis software of Ansys Workbench. The results show that impeller deformation will occur on torsion direction under fluid-structure interaction. The maximum stress distribution in the blade and the hub of the junction, the maximum strain distribution at the outer edge of the blade, the impeller is designed for maximum stress 21.48MPa, less than the material limit stress, but also away from the operating speed vibration speed, meet the job requirements. The research results are useful for the impurity removal fan of sugarcane harvest design.

sugarcane harvester; impurity removal fan; fluid-structure interaction; stress-strain; model analysis

2016-05-11

國家自然科學基金項目(51465004)

鐘家勤(1989-)，女，廣西欽州人，碩士,(E-mail)zhongjiaqin2013@163.com 。

S 225.5+3

A

1003-188X(2017)06-0018-05