抑塵車風炮葉片有限元分析

程小建，楊培佑，楊志

(長沙福田汽車科技有限公司，湖南長沙 410129)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展和城市化進程的加快，環境污染的范圍和程度也在逐漸擴大。隨著國家環保要求的提高和公眾環境意識的增強，今后我國大氣污染的防治將成為環保領域的重點。抑塵車作為一個新興產業應運而生并具有極大的行業增長空間，在建筑、采礦、城市PM2.5空氣治理、林業、農業、畜牧業領域市場前景廣闊[1]。抑塵車主要是利用車輛自帶的動力系統驅動風炮各零部件，先利用高壓水泵及霧化噴嘴將水霧化，再利用軸流風機將水霧送到空氣中，水霧和空氣中的灰塵粘合達到一定質量后再降落至地面，從而起到抑塵、降霾的作用。該車大量應用于城市街道、公共場所、建筑工地、儲煤場和各種污染地和抑塵場所[2]。風炮作為產生水霧的核心部件，其軸流風機葉片由于受力環境復雜、強度和剛度性能評估困難，而且由于轉速高、承受的氣力壓強大、作業頻繁等，在實際中容易產生變形和開裂問題，特別是對于大功率抑塵車，問題更加嚴重。葉片問題限制著抑塵車向著更高、更遠、更強大的方向發展。研究一種有效的有限元分析方法，在設計階段評估其強度和剛度性能，就能夠在設計階段發現葉片性能的不足之處和需要改進的地方，將各種結構性能缺陷解決在設計階段,直到通過有限元分析進行虛擬驗證評估合格后，再進行產品投放和制造，將大大提高產品的成功率，對于抑塵車的發展和設計意義重大。

1 有限元分析方法確定

風炮葉片不同于傳統的結構件，其造型為曲面造型，而且邊界條件復雜，主要是高速旋轉的離心力和氣流造成的壓力。葉片承擔的氣流壓力是按照空間布置的不規則壓力，因此首先必須計算出葉片的壓力分布才能對其進行強度和剛度性能有限元分析。因此為了解決葉片邊界條件的計算和強度剛度性能計算問題，制定了首先對風炮氣力系統進行CFD分析、計算出葉片壓力，然后將壓力導入結構分析軟件中、加載離心力對其進行強度剛度性能計算的有限元分析方法。

2 有限元分析方法實例研究

為了驗證此分析方法的可行性，選取某型號抑塵車作為研究對象。此抑塵車噴射距離達到120 m，風炮直徑1.2 m，轉速1 600 r/min，可謂功能強大，作業能力強。

2.1 風炮CFD分析

2.1.1 風炮流體分析模型建立

根據風炮的結構和邊界特點，首先對其進行網格劃分，然后導入流體分析軟件中進行邊界條件設置，建立的流體分析模型如圖1所示。其中入口為流體壓力入口，壓力值為0；出口為壓力出口；葉片轉速為1 600 r/min。

圖1 風炮CFD分析模型圖

2.1.2 流體分析結果

葉片速度流線圖和壓強云圖分別如圖2和圖3所示。可看出：流體最大速度為123.6 m/s；葉片壓強最小為-5 713 Pa，最大為2 777 Pa。

圖2 風炮流線圖

圖3 旋轉葉片氣力壓強云圖

2.2 風炮葉片結構CAE分析

2.2.1 有限元模型建立

根據三維模型對風炮葉片進行有限元建模。螺栓使用六面體網格，葉片和輪轂等使用四面體網格。為了簡化，將模型簡化為1/6的對稱模型。將上文計算得到的葉片壓力以節點力的形式導出，導入結構靜力學分析網格模型中，加載離心力和約束，設置好材料參數等。建立的有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型圖

2.2.2 材料參數

此風炮葉片采用PA66-G30材料，輪轂使用AL6061材料，其材料性能如表1所示。

表1 材料參數表

2.2.3 分析結果與評價

通過計算得出的結構靜力學分析結果如表2和圖5所示。可看出：葉片和輪轂最大應力均為60 MPa,安全系數均為3，高于1.5；葉片位移為5.55 mm，低于間隙8 mm。可見葉片和輪轂的強度和剛度性能均滿足設計要求，無須進行優化設計。此抑塵車在實際應用中沒有出現問題，可見計算結果與實際相符。

表2 風炮葉片結構靜力學分析結果表

圖5 結果云紋圖

3 結論

以某型抑塵車風炮為研究對象，通過流體CFD分析計算出風炮葉片壓力，并將其導入結構分析中，通過結構有限元分析計算出了葉片應力和葉片徑向位移，通過與設計標準進行比對得出此葉片強度和剛度性能均滿足設計要求。通過此實例驗證了文中提出的風炮葉片有限元分析方法是可行的、有效的，有效地解決了風炮葉片性能評估難的問題。

參考文獻:

[1]李治軍．淺談多功能抑塵車的結構特點[J]．大科技,2015(14)：20．

[2]黃榮明．一種智能化多功能抑塵車[J]．機電技術，2017(1)：5-7．