風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算軟件開發(fā)

1、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算軟件開發(fā)Software Development of Critical Speed Calculation for Fan Rotor System Parameterization Design朱廣宇 吳 瓊/四平金豐股份有限公司 趙永武/長春大成實(shí)業(yè)集團(tuán)周振平/吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院)摘要：設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)參數(shù)化有限元建模，并在通用商業(yè)化有限元分析軟件ALGOR基礎(chǔ)上，開發(fā)了模塊化編程。對(duì)轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī) 臨界轉(zhuǎn)速 計(jì)算 軟件 中圖分類號(hào): TH432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B文章編號(hào): 1006-8155(2005)01-0029-0

2、3Abstract: The finite element model of fan rotor system parameterization is designed. Modularity programming is developed based on general business finite element analyzing software ALGOR. There is great significance for rotor optimizing design. Key words: Fan Critical speed Calculation Software1 引言

3、 應(yīng)用優(yōu)化理論對(duì)葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供了一個(gè)快捷建模工具，從而使葉輪轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)革新和創(chuàng)新設(shè)計(jì)發(fā)展的重要方向之一，對(duì)于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和材料消耗，提高產(chǎn)品性能和壽命，縮短設(shè)計(jì)周期都具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。通過對(duì)機(jī)翼型葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)參數(shù)化有限元模型生成分析軟件的研制，分析了模塊化軟件設(shè)計(jì)方法，研究了有限元建模理論，計(jì)算模型網(wǎng)格密度，形狀的控制，完成了機(jī)翼型葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)參數(shù)化軟件的實(shí)現(xiàn)。使得該軟件系統(tǒng)運(yùn)行可靠，使用方便，精度滿足設(shè)計(jì)要求。 2 參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)化建模是指先用一組參數(shù)來定義幾何圖形（體素）尺寸數(shù)值并約束尺寸關(guān)系，然后再提供給設(shè)計(jì)

4、者進(jìn)行幾何造型使用。它的主題思想是用幾何約束、數(shù)學(xué)方程的關(guān)系來說明產(chǎn)品模型的形狀特征，從而得到一簇在形狀或功能上具有相似性的設(shè)計(jì)方案。要求對(duì)產(chǎn)品的系列化、規(guī)范化的過程需要有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，包括對(duì)其設(shè)計(jì)空間的限制，對(duì)其功能，運(yùn)動(dòng)等參數(shù)控制，達(dá)到通過參數(shù)的變化靈活體現(xiàn)設(shè)計(jì)思想，給出新設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)行對(duì)比改進(jìn)，從而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。此軟件將參數(shù)分為6部分：葉輪整體尺寸參數(shù)，葉片內(nèi)側(cè)尺寸參數(shù)，葉片外側(cè)尺寸參數(shù)，軸盤尺寸參數(shù)，主軸尺寸參數(shù)，支承桿剛度參數(shù)。由于機(jī)翼型葉輪形狀的復(fù)雜性，它的參數(shù)化是此程序的重點(diǎn)，它的參數(shù)也是最多的，葉輪整體尺寸參數(shù)，葉片內(nèi)側(cè)尺寸參數(shù)，葉片外側(cè)尺寸參數(shù)均為機(jī)翼型葉輪的參數(shù)。

5、3 有限元分析模型葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主要由葉輪、軸盤、主軸和支承4部分組成。葉輪全部用板單元建模，這樣既節(jié)省計(jì)算時(shí)間又可保證精度；軸盤和主軸用實(shí)體單元建模；支承部分用桿單元進(jìn)行周向支承，由于剛度k=EA/L（E為材料的彈性模量，A為桿的截面面積，L為桿的長度），程序?qū)⒆詣?dòng)通過調(diào)整截面面積A來調(diào)整桿的剛度k以便生成使用者想要的有限元模型。在計(jì)算風(fēng)機(jī)靜強(qiáng)度時(shí)，使用者只需填入轉(zhuǎn)速和重力加速度，此程序便可自動(dòng)將載荷加入模型中。在計(jì)算風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，由于軸承剛度非線性變化的影響，以前用剛性支承計(jì)算出來的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率與實(shí)地測試固有頻率不符，此軟件解決了這一問題。本軟件已經(jīng)將由實(shí)驗(yàn)得出的軸承剛度曲

6、線集成在其中，經(jīng)過多次計(jì)算，可以獲得葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率的范圍，實(shí)驗(yàn)證明風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工作頻率避開這個(gè)范圍，風(fēng)機(jī)是可以安全工作的。所以在計(jì)算其固有頻率時(shí)，由于要計(jì)算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率的范圍，所以需要生成幾個(gè)模型。接下來，只要分別計(jì)算各個(gè)模型就可以得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率的范圍。4 程序?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)葉輪參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)是集自動(dòng)建模，有限元計(jì)算，結(jié)果處理于一體的綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)。由于其功能全面，程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故采用模塊化編程，如圖1所示。這樣有利于調(diào)試和改進(jìn)、增減功能。ALGOR有限元分析計(jì)算模塊結(jié)果專業(yè)化處理模塊重新生成節(jié)點(diǎn)，單元和載荷數(shù)據(jù)計(jì)算乘子節(jié)點(diǎn)，單元和載荷數(shù)據(jù)生成模塊可視化程序控制模塊 圖1 軟件結(jié)

7、構(gòu)框圖該軟件系統(tǒng)共分為5個(gè)模塊。模塊1為可視化程序控制模塊。它是此軟件的總的控制模塊。該程序具有人性化的可視界面，可形象地接受設(shè)計(jì)變量的輸入及修改，等待設(shè)計(jì)者所下達(dá)的分析、查閱結(jié)果等所有功能調(diào)用的指令，適時(shí)給出操作者提示信息，錯(cuò)誤信息，合理化建議，使得軟件的使用集成化、人性化。模塊2為節(jié)點(diǎn)、單元及載荷數(shù)據(jù)生成模塊。該模塊根據(jù)輸入信息自動(dòng)劃分有限元網(wǎng)格，計(jì)算節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及單元節(jié)點(diǎn)號(hào)連接，根據(jù)使用者的意圖加載荷或約束，產(chǎn)生一個(gè)完整的有限元數(shù)據(jù)模型，不做任何修改即可被ALGOR調(diào)用進(jìn)行計(jì)算分析。該模塊是軟件系統(tǒng)的主要模塊，它要求編程者對(duì)機(jī)翼型葉輪有可行性及精度控制的經(jīng)驗(yàn)，有扎實(shí)的有限元理論基礎(chǔ)，熟悉有限

8、元軟件的計(jì)算過程及輸入數(shù)據(jù)格式，是理論與實(shí)踐的結(jié)果。該模塊生成了有限元分析的基本數(shù)據(jù)。模塊3為計(jì)算模型乘子模塊，此模塊對(duì)于計(jì)算模型固有頻率尤為重要，它是先計(jì)算出模型的重量，然后再與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的實(shí)際重量相比較，得出乘子系數(shù)，最后將原模型的材料的密度乘以此乘子系數(shù)，重新生成有限元模型。模塊4為ALGOR有限元分析計(jì)算模塊。模塊4生成的數(shù)據(jù)可以被國際著名大型有限元軟件ALGOR直接讀入，然后進(jìn)行有限元計(jì)算。模塊5為結(jié)果專業(yè)化處理模塊。它是ALGOR后處理的延伸。它可以輸出位移云圖、應(yīng)力云圖或固有頻率和振型圖。該模塊輸出了設(shè)計(jì)人員最為關(guān)心的信息，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)輸出信息比較分析，進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該軟

9、件的模塊設(shè)計(jì)的集成運(yùn)行，專業(yè)化提示及精度檢驗(yàn)為操作者的使用消除了障礙，無需操作者掌握很深的有限元理論，操作上幾乎不需訓(xùn)練即可使用，輸入輸出數(shù)據(jù)的專業(yè)化，人性化，為設(shè)計(jì)者節(jié)省了大量的時(shí)間，該程序?qū)⒊蔀闄C(jī)翼型葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的必備工具。5 算例經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得軸承剛度隨作用力變化的曲線如圖3：圖2 軸承剛度隨作用力的變化曲線機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算方法：將葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡化為如圖3所示的模型。圖3 葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡化模型 式中 圓盤所受的重力，N 軸的長度，mm 軸材料的彈性模量 軸截面的慣性矩， 支承間距離或圓盤處軸段長度與軸總長度L之比 軸的剛度系數(shù)， 一階振動(dòng)頻率和二階振動(dòng)頻率隨軸承剛度變化規(guī)律如圖4。圖 4 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)頻率隨軸承剛度變化曲線葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階振型和二階振型如圖5和圖6。圖5 葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階振型 圖6 葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)二階振型6 結(jié)論機(jī)翼型葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)參數(shù)化分析軟件，程序結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行可靠。其核心部分即有限元模型生成部分，完成了葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的自動(dòng)建模，使風(fēng)機(jī)優(yōu)化成為可能，尤其對(duì)于計(jì)算風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率更可靠，為風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)人員提供了先進(jìn)