基于ANSYS的鼓风机机组有限元模型创建与优化

汽轮机、压缩机、鼓风机等大型旋转机械设备，其核心工作部分都是转子系统。以上设备的动态特性对其运行稳定性、可靠性有着重要的影响，因此在设计中必须给予充分考虑。以下将用动力学可视化的方法研究某大型鼓风机的动态特性。

（1）问题描述 某大型鼓风机，机组由高压缸转子系统、增速箱、汽轮机、中压缸转子系统、低压缸转子系统、联轴器等组成。机组高压端的转速为9398r/min，即1510.63Hz，低压端转速为4516 r/min，即75.27Hz，如图10-18所示。

动力学可视化研究目标：求解弯扭耦合作用下机组的动态特性，包括各阶临界转速和振型。

图10-18 转子系统有限元模型图

（2）求解方法及原理 可采用有限元法求解，软件上采用通用有限元分析软件ANSYS。转子系统由弹性轴段单元组成，轴段单元的广义坐标为两端节点的位移，仅考虑弯曲变形和扭转变形，而忽略轴向变形，则广义坐标为

相应的移动质量单元矩阵M_T^e、转动质量单元矩阵M^e_R、刚度单元矩阵K^e_B、陀螺力矩矩阵G^e，形式如下：

式中 l——单元的长度；

EI——抗弯刚度；

μ——单位长度的质量；

r——单元半径；

J_x——转动惯量；

G——切变模量；

I_p——截面矩。

根据产品的具体结构，可将鼓风机轴系划分为255个轴段，257个节点。其中组合1划分为57个轴段单元，58个节点；组合2划分为198个轴段单元，199个节点。其中第一段轴段从高压缸的左端开始，依次为小齿轮、大齿轮、汽轮机、中压缸、低压缸。

在ANSYS中选择PIPE16、MASS21、MATRIX27，创建鼓风机机组的有限元模型。通过有限元方法，求得转子系统的弯扭耦合振动结果。

（3）结果分析 通过求解可获得振动系统的固有特性，表10-2为高压缸、中压缸、低压缸的临界转速值，图10-19为对应的各阶振型。(www.xing528.com)

表10-2 高压缸、中压缸、低压缸的临界转速

可见，高压缸、中压缸、低压缸的第一阶弯曲临界转速都低于工作转速，第二阶弯曲临界转速都高于工作转速，即机组工作于第一、二阶弯曲临界转速之间，为超临界转子系统。考虑弯扭耦合时的各阶弯曲振动未发生明显改变，但扭转振动有一定的变化。通过动力学可视化分析，可在产品未被制造出前获知系统的固有特性。

以“可视”为手段，以“检验”和“优化”为目标的可视化设计法，对于提高机械产品的设计质量有着重要意义，其具有以下优点：

1）可以减少设计费用。

2）可以辅助物理样机进行设计验证和测试。

3）可以减少产品开发过程中所需的时间，使产品尽快上市。

图10-19 弯扭耦合振动的各阶振型

a）高压缸一阶临界转速下x、y方向振型b）高压缸二阶临界转速下x、y方向振型

c）中压缸一阶临界转速下x、y方向振型d）中压缸二阶临界转速下x、y方向振型

e）低压缸一阶临界转速下x、y方向振型f）低压缸二阶临界转速下x、y方向振型

4）可以在相同的时间内“试验”更多的设计方案，这是对于实际试验无法比拟的。

5）可以减少产品开发后期的设计更改，进而使得整个产品的开发周期最小化。

6）因考虑影响产品质量的各个环节比较周全，可以确保和提高产品的质量。

7）因为可视化模型及结果非常直观、易懂，便于各小组之间的沟通。

正因为可视化技术在机械产品设计中有上述众多优势，所以国内外有众多学者致力于这方面研究，且取得了大量的科技成果，拥有众多的成功案例。目前我国在这一方面正在开展大量的研究工作，并将取得的研究成果应用于实际工作中。

可视化技术是信息技术派生出的设计方法，其发展趋势将向两方面发展：一是与虚拟现实技术不断融合。随着虚拟现实技术的不断成熟及软硬件价格不断下降，可视化技术必将与虚拟技术融合在一起，形成功能完备的数字化设计方法。二是与网络技术的不断融合。并行工程、协同设计现已成为研究热点，可视化设计本身操作的对象就是各种数字模型，如配以相应的网络规则和协议，是完全可以实现异地协同设计的，这样可以大大加快设计进度，发挥各研究人员的长处，设计出最优的机械产品。

国内装备企业界刚刚完成CAD技术的一次革命，就是用计算机平面制图代替手工绘图，这对企业整体设计水平的促进作用是有限的。可视化设计法致力于推进CAD技术的第二次革命，即以可视化的方法，对所设计的产品进行检验和优化，这对全面提升装备企业的设计水平有着重要意义。

目前企业界还没有广泛应用可视化设计法，且可视化设计法的一些理论和方法尚处于研究中。相信，随着可视化技术的不断成熟，针对机械产品开发的可视化设计法必将为企业带来巨大的经济效益。