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近年來(lái)礦用主通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)仍然發(fā)生了大量的葉片支桿折斷、輪毅和輪盤開(kāi)裂等事故。為有效地預(yù)防并避免類似事件的發(fā)生，本文將采用有限元分析方法及其應(yīng)用軟件對(duì)通風(fēng)機(jī)輪毅的關(guān)鍵部位進(jìn)行分析計(jì)算，以使轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)更為科學(xué)合理。本文研究分析的葉輪基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子直徑2800 mm，葉片數(shù)16個(gè)，輪毅直徑為1980 mm，轉(zhuǎn)數(shù)600 r/min，每個(gè)葉片的重量為23 kg。
本文利用了Pro/E的強(qiáng)大建模功能建立葉輪模型，再通過(guò)ANSYS Pro/ENGINEER接口轉(zhuǎn)換.將在Pro/E建立的模型直接導(dǎo)入到ANSYS，實(shí)現(xiàn)兩者的無(wú)縫連接。
本模型是由葉片、緊固螺母、墊片以及輪毅裝配而成。模型建成后，設(shè)置模型材料及其密度。如此巨大的模型會(huì)讓接下來(lái)的有限元法分析變得相當(dāng)復(fù)雜，甚至出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤，無(wú)法得到結(jié)果的后果，因此必須對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)與分析無(wú)關(guān)或關(guān)系不大的部分進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，具體簡(jiǎn)化方法： (1)葉輪的16個(gè)葉片均布在輪毅上，可以將輪毅進(jìn)行16等分，取其中一份分析，最后通過(guò)ANSYS的擴(kuò)展功能，將這1/16擴(kuò)展為一完整葉輪；(2)葉片為扭曲的殼體，若不進(jìn)行簡(jiǎn)化，ANSYS分析軟件將會(huì)把有限元分析計(jì)算的重點(diǎn)放在葉片部分，由于葉片及其支桿的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，將會(huì)對(duì)分析過(guò)程造成很大困難，甚至出現(xiàn)計(jì)算不收斂，得不出計(jì)算結(jié)果的后果，又因?yàn)榉治龅闹攸c(diǎn)為輪毅的受力，因此可以在保證葉片質(zhì)量不變的情況下，將葉片簡(jiǎn)化成直的實(shí)體。
葉輪材料為HT200，彈性模量E=1.22xe11 Pa，泊松比0.3，密度p=78 000 kg/m3，葉輪的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，存在有不規(guī)則的形狀，本文采用Solid45和Solid92單元作為分析單元。葉片簡(jiǎn)化后，所分析的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可以很方便地全部劃分為六面體單元，或者絕大部分是六面體，只含有少量四面體和棱柱體，此時(shí)，應(yīng)該選用Solid45單元，也就是選用六面體單元；輪毅部分所分析的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，難以劃分出六面體，應(yīng)該選用Solid92單元，也就是帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元。
將葉輪實(shí)體模型，劃分為7個(gè)體，對(duì)輪毅與支桿相配合的關(guān)鍵部位單獨(dú)劃分為2個(gè)體，對(duì)其采用手工劃分網(wǎng)格的方法，以保證網(wǎng)格的劃分規(guī)律、整齊，便于有限元分析快捷、準(zhǔn)確。此部分為有限元分析的關(guān)鍵部位。因此，網(wǎng)格劃分比較密集。在葉輪工作時(shí)，此處兩部分互相接觸，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，應(yīng)再將此處相接觸的部位建立接觸對(duì)，進(jìn)行接觸分析。接觸問(wèn)題是一種高度非線性行為，需要較多的計(jì)算機(jī)資源。為了進(jìn)行切實(shí)有效的計(jì)算，理解問(wèn)題的物理特性和建立合理的模型是很重要的。在此處模型中的接觸問(wèn)題可以歸類為面一面接觸，柔體一柔體的接觸問(wèn)題。
在葉輪中還有一處實(shí)體間互相接觸：緊固螺母與套筒底部，因此，也需要建立接觸對(duì)進(jìn)行接觸分析，目標(biāo)面為A53，接觸面有4個(gè)，分別為A32，A33，A34，A35。
葉片部分也采用手工劃分網(wǎng)格的方式，但不作為重點(diǎn)分析對(duì)象，因此，網(wǎng)格劃分比較稀疏；其他部分采用自由網(wǎng)格劃分方式。有限元網(wǎng)格劃分的原則和目的是保證有限元分析精度的前提下，減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間，提高分析效率。本文中共將模型離散為31113個(gè)單元、40149個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)單元進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，所有單元均滿足畸變要求。
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