基于ANSYS workbench六片斜葉圓盤渦輪攪拌器的模態分析

馬崇斌　祁祥松　梁之西　王建鵬

摘 要：六片斜葉圓盤渦輪攪拌器是壓力容器中重要的工作部件，其轉動速度的大小和穩定直接關系到壓力容器的工況能否正常運行，結合UG6.0對相應的六片斜葉圓盤渦輪攪拌器進行簡化和實體建模。將簡化過的模型導入ANSYS Workbench的模態分析模塊，結合相應的預應力分析模塊對工況轉速條件下的六片斜葉圓盤渦輪攪拌器模態進行分析，分析六片斜葉圓盤渦輪攪拌器的前六階的模態，通過模態分析得到各階固有頻率和實際工況轉速相比較，為研究壓力容器的結構優化和振動分析提供了理論基礎。

關鍵詞：斜葉圓盤渦輪；攪拌軸；ANSYS；模態分析

引言

六片斜葉圓盤渦輪攪拌因其具有循環性能好，動力消耗低等特點，在石油，化工等行業的應用尤為突出。六片斜葉圓盤渦輪攪拌器主要工作部件是一具有離心輪狀的圓盤，當攪拌軸轉動時，物料沿輪狀圓盤的軸向由中心孔進入葉輪，在各小葉片作用下而獲離心加速度，向轉軸中心流竄產生渦流而達到攪拌混的目的.所以，在實際工況的低速旋轉中，整個攪拌器的結構剛度受到轉速的影響而發生改變。故對實際工況下的攪拌器子進行模態分析是十分必要的。

1 六片斜葉圓盤渦輪攪拌器的模態分析方法

應用模態分析方法確定攪拌器的動態特性包括固有頻率表，振型和穩態響應。利用有限元法求解具有不規則集合攪拌器模態，考慮相應軟件中的 ANSYS Workbench 的線性模態分析方法，因此結合振動學可知，多自由度無阻尼振動方程為（1）：

2 六片斜葉圓盤渦輪攪拌器的模型建立

參考實際攪拌器尺寸，采用 UG6.0 繪制攪拌器的三維實體模型，為提高后期網格質量和結果分析的準確性。僅僅選取攪拌器主體模型。

去除倒角，裝配凹槽等細節模型。保留相應的主軸階梯狀結構，為后期施加提供位置標識。

3 六片斜葉圓盤渦輪攪拌器的模態分析

參照攪拌器的實際工況可知，攪拌器由兩側的軸承固定約束，軸承有一定的剛度和阻尼。而在 ANSYS Workbench中的模態分析環節，一般選用計算方法的為線性計算方法，即忽略阻尼對攪拌器系統影響，因此對攪拌器系統的軸承處施加圓柱約束，保證攪拌器符合實際工況條件下的約束。參考該攪拌器的額定轉速，對整體斜葉圓盤渦輪攪拌器施加相應的旋轉速度，該型號的六片斜葉圓盤攪拌器的額定轉速n為1500r/min，即則157rad/s，f=n/60=25Hz。設定求解變形量和應力值并進行求解計算。所得靜力分析的結果作為模態分析的基礎，直接利用 ANSYS Workbench 自帶的模塊化操作，對斜葉圓盤攪拌器進行模態分析。分析方法采用系統默認的 Block Lanczos 算法，即模態疊加法。速度更快，對線性無阻尼的計算較為適合，因攪拌器的共振一般發生于低階固有頻率的共振，因此設置模態求解為前6階，經過求解可得轉子前六階段的固有頻率。

由該六片斜葉圓盤渦輪攪拌器的額定工況可知，f=25Hz，因此工況轉速的激振頻率遠遠低于該六片斜葉圓盤渦輪攪拌器的一階固有頻率，因此不會引起共振的發生。

4 結束語

（1）該六片斜葉圓盤渦輪攪拌器在額定轉速下的整體剛度變化較小，最大應力為 0.192 MPa，對整體剛度影響較小，可以不予考慮。（2）該六片斜葉圓盤渦輪攪拌器額定工況下一階固有頻率遠高于額定工況，同時其一階固有頻率也遠高于該攪拌器的通過頻率，其設計符合要求。（3）基于 ANSYS Workbench 的模態分析能夠結合攪拌器的實際工況對攪拌器的固有頻率及其影響因素進行分析，方便快捷。

參考文獻

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作者簡介：馬崇斌（1993-），男，漢，黑龍江鶴崗，在讀研究生，碩士，山東科技大學，研究方向：動力工程。

祁祥松（1991-），男，漢族，山東濟南，在讀研究生，碩士，山東科技大學，研究方向：機械工程。

梁之西（1993-），男，漢族，山東濟南，在讀研究生，碩士，山東科技大學，研究方向：機械工程。

王建鵬（1992-），男，漢族，山東濰坊，在讀研究生，碩士，山東科技大學，研究方向：機械工程。