農機發動機葉片復雜零件的有限元仿真分析

劉雨亭，胡靖明

（甘肅農業大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730074）

1 農機發動機冷卻風扇葉片

冷卻散熱風扇是農機發動機冷卻系統的關鍵零件，因此，發動機冷卻風扇的性能和效率也直接影響著農機發動機的性能，是評判農機發動機的重要標準之一[1]。一般情況下，農機發動機在使用過后都會產生比較大的熱量，為保證農機發動機的正常使用，就對發動機冷卻風扇的要求提高了，需要更大功率的冷卻風扇進行散熱工作。農機發動機冷卻系統如圖1所示。

但是散熱風扇屬于復雜零件，相對的制作成本比較高，所以要研究和優化冷卻風扇的散熱功能，提高冷卻風扇的使用效率和使用周期，降低制造成本，推動農機發動機系統的發展。電氣自動化是一門對實踐要求比較高的學科，只是當前的高校教學模式忽視了實踐方面的教學，本文主要分析電氣自動化教學的現狀和措施，并充分探討農機發動機葉片復雜零件的有限元仿真分析的具體情況，尋找電氣自動化發展新方向。

圖1 農機發動機冷卻系統

2 農機發動機葉片復雜零件有限元算法分析

農機發動機的風扇葉片是一種典型的農機復雜零件，但由于復雜零件很難直接進行分析計算，所以在對其進行有限元分析的時候，可以先將復雜零件區塊劃分之后再進行區塊計算工作，這樣再進行計算得出來的結果是比較精準的，而且在計算的時候，要先假設有限元劃分過程中的網格節點都是一些未知的位移量，這樣能夠將數據更加清晰準確地表述出來。

比如 ，假設節點為{δ}e=[ui，vi，wi]T，網格單元 內的位移為{f}=[u，v，w]T，采用函數 N（X，Y，Z）進行描述的總位移方程為{f}=[N]{δ}e。

假設計算點坐標為（ξ，η，ζ），但是在實際進行運算的時候要進行轉化工作，將這個坐標轉化為（x，y，z），然后在每個坐標點下方進行節點 i的位移工作（ui，vi，wi），最終的方 程 表 達 式 為 {ε}={εx，εy，εz，yxz，yyz，yzx} 和 {ε}=[B]{δ}e在進行彈性計算的時候，假設[D]為彈性矩陣，那么應力矩陣[S]=[D][B]。

假設節點為{F}e，那么{F}e=[k]{δ}e。

從上述計算可以看出，采用有限元計算法進行復雜零件計算的時候，需要將這些復雜區域進行拆分，詳細步驟如下：第一步，導入初始模型。根據網格細節劃分，將拆分后的初始模型導入軟件中進行分析，這是一個前提準備工作，完成子區域的劃分工作之后將其標記，以方便后續的計算；第二步，模型處理工作。模型導入工作完成之后，將子區域進行計算，計算時主要考慮到子區域的個數，這樣才能保證計算的準確度；第三步，再次規劃模型。模型再次規劃主要是為了提高有限元計算的準確度來進行的，再次按照子區域計算的方式進行計算，能夠有效提高計算的精確度，只是還需要注意子區域的個數，促使復雜零件的有限元計算的精準度；第四步，系統生產一個網格模型。這個網格模型是根據兩次規劃以及規劃后的計算結果進行生產的，是有限元網格計算的詳細結果，也是計算完成后的最后模型，能夠通過對網格模型的分析得到一個詳細、準確的答案。除此之外，還可以采用模型和網格規劃，對最后的網格模型進行整合分析，從而提高有限元網格計算結果，提高網格計算的效率和質量。

3 農機發動機葉片復雜零件有限元仿真分析

為了驗證網格劃分方法對復雜機械零部件有限元網格劃分的可靠性，以重型農機發動機散熱風扇葉片的有限元網格劃分和仿真模擬為例，對網格劃分方法的可靠性進行了驗證[2]。有限元仿真表明：采用這種網格劃分方法可以有效地實現復雜零件的三維網格劃分。同時，將生成的網格代入到有限元軟件中進行了仿真計算，將計算結果和實驗測試結果進行了對比發現：仿真結果和實驗結果基本吻合，從而驗證了網格劃分的可靠性。

在進行農機發動機葉片復雜零件有限元分析的時候，要先使用有限元網格生成各個模型來進行分塊計算，再綜合計算分析，按照分塊劃分來進行模板整理，這樣可以得到一個準確的分析結果[3]。有限元分析方法是將農機發動機葉片的復雜零件進行拆分之后，使用有限元網格劃分后的分析[4]。具體步驟如下：一是模型導入。將初始模型綜合導入網格處理的軟件中，進行綜合劃分，劃分時考慮到模型的劃分邊界，促使模型邊界處于一個可以計算的空間，最后進行標記工作；二是處理模型規劃。使用計算區域劃分策略的形式進行具體的模型規劃工作，把具體的模型分化為幾個子區域，但是又不影響生產六面體區域；三是再次規劃模型。主要是為了提高模型計算的精確度，再次規劃會形成新的六面體區域和子規劃區；四是生產整個復雜網格模型。將上述兩次規劃的網格模塊區域進行組裝后，進行逆向映射，通過網格映和耦合連接，使其形成可以直接計算的網格完整模型。

圖2 風速

表1 仿真和實驗結果對比

由于農機電動機葉片復雜零件的優化比較復雜，所以想要優化農機散熱風扇，需要考慮很多方面[5]。為了驗證農機發動機風扇葉片優化后的效果，采用有限元計算的方法分別計算了優化前后風扇葉片的阻力，計算結果如圖2所示。

從圖2中看出，經過優化后的電動機風扇葉承受的阻力明顯有所降低，所以風扇的散熱效果有所提升，對能源的消耗也比較少，綜合性能有所提高。

將有限元仿真結果和實驗數據進行對比，結果如表1所示。很明顯，在不同的風速條件下，有限元仿真計算的結果和實際檢測的結果相差不大，可見有限元仿真計算的準確性，這也從側面反映了有限元仿真分析的準確度。

4 結語

為進一步提高農機發動機葉片復雜零件的使用效果，可以采用有限元仿真分析進行性能計算，然后，綜合分析農機發動機葉片復雜零件的優化問題[6]。本文將農機發動機散熱風扇葉片作為主要的研究對象，采用有限元網格劃分的方法將發動機散熱風扇葉的復雜模型進行劃分處理，利用網格計算法集中處理，并將有限元仿真計算的結果與實驗檢測結果進行對比，充分驗證有限元仿真計算的準確性和科學性，推動農機發動機葉片復雜零件的有限元仿真分析。