抑塵車風(fēng)炮葉片有限元分析

程小建，楊培佑，楊志

(長沙福田汽車科技有限公司，湖南長沙 410129)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，環(huán)境污染的范圍和程度也在逐漸擴大。隨著國家環(huán)保要求的提高和公眾環(huán)境意識的增強，今后我國大氣污染的防治將成為環(huán)保領(lǐng)域的重點。抑塵車作為一個新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)運而生并具有極大的行業(yè)增長空間，在建筑、采礦、城市PM2.5空氣治理、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)領(lǐng)域市場前景廣闊[1]。抑塵車主要是利用車輛自帶的動力系統(tǒng)驅(qū)動風(fēng)炮各零部件，先利用高壓水泵及霧化噴嘴將水霧化，再利用軸流風(fēng)機將水霧送到空氣中，水霧和空氣中的灰塵粘合達(dá)到一定質(zhì)量后再降落至地面，從而起到抑塵、降霾的作用。該車大量應(yīng)用于城市街道、公共場所、建筑工地、儲煤場和各種污染地和抑塵場所[2]。風(fēng)炮作為產(chǎn)生水霧的核心部件，其軸流風(fēng)機葉片由于受力環(huán)境復(fù)雜、強度和剛度性能評估困難，而且由于轉(zhuǎn)速高、承受的氣力壓強大、作業(yè)頻繁等，在實際中容易產(chǎn)生變形和開裂問題，特別是對于大功率抑塵車，問題更加嚴(yán)重。葉片問題限制著抑塵車向著更高、更遠(yuǎn)、更強大的方向發(fā)展。研究一種有效的有限元分析方法，在設(shè)計階段評估其強度和剛度性能，就能夠在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)葉片性能的不足之處和需要改進(jìn)的地方，將各種結(jié)構(gòu)性能缺陷解決在設(shè)計階段,直到通過有限元分析進(jìn)行虛擬驗證評估合格后，再進(jìn)行產(chǎn)品投放和制造，將大大提高產(chǎn)品的成功率，對于抑塵車的發(fā)展和設(shè)計意義重大。

1 有限元分析方法確定

風(fēng)炮葉片不同于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件，其造型為曲面造型，而且邊界條件復(fù)雜，主要是高速旋轉(zhuǎn)的離心力和氣流造成的壓力。葉片承擔(dān)的氣流壓力是按照空間布置的不規(guī)則壓力，因此首先必須計算出葉片的壓力分布才能對其進(jìn)行強度和剛度性能有限元分析。因此為了解決葉片邊界條件的計算和強度剛度性能計算問題，制定了首先對風(fēng)炮氣力系統(tǒng)進(jìn)行CFD分析、計算出葉片壓力，然后將壓力導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析軟件中、加載離心力對其進(jìn)行強度剛度性能計算的有限元分析方法。

2 有限元分析方法實例研究

為了驗證此分析方法的可行性，選取某型號抑塵車作為研究對象。此抑塵車噴射距離達(dá)到120 m，風(fēng)炮直徑1.2 m，轉(zhuǎn)速1 600 r/min，可謂功能強大，作業(yè)能力強。

2.1 風(fēng)炮CFD分析

2.1.1 風(fēng)炮流體分析模型建立

根據(jù)風(fēng)炮的結(jié)構(gòu)和邊界特點，首先對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)入流體分析軟件中進(jìn)行邊界條件設(shè)置，建立的流體分析模型如圖1所示。其中入口為流體壓力入口，壓力值為0；出口為壓力出口；葉片轉(zhuǎn)速為1 600 r/min。

圖1 風(fēng)炮CFD分析模型圖

2.1.2 流體分析結(jié)果

葉片速度流線圖和壓強云圖分別如圖2和圖3所示。可看出：流體最大速度為123.6 m/s；葉片壓強最小為-5 713 Pa，最大為2 777 Pa。

圖2 風(fēng)炮流線圖

圖3 旋轉(zhuǎn)葉片氣力壓強云圖

2.2 風(fēng)炮葉片結(jié)構(gòu)CAE分析

2.2.1 有限元模型建立

根據(jù)三維模型對風(fēng)炮葉片進(jìn)行有限元建模。螺栓使用六面體網(wǎng)格，葉片和輪轂等使用四面體網(wǎng)格。為了簡化，將模型簡化為1/6的對稱模型。將上文計算得到的葉片壓力以節(jié)點力的形式導(dǎo)出，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析網(wǎng)格模型中，加載離心力和約束，設(shè)置好材料參數(shù)等。建立的有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型圖

2.2.2 材料參數(shù)

此風(fēng)炮葉片采用PA66-G30材料，輪轂使用AL6061材料，其材料性能如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

2.2.3 分析結(jié)果與評價

通過計算得出的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果如表2和圖5所示。可看出：葉片和輪轂最大應(yīng)力均為60 MPa,安全系數(shù)均為3，高于1.5；葉片位移為5.55 mm，低于間隙8 mm。可見葉片和輪轂的強度和剛度性能均滿足設(shè)計要求，無須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。此抑塵車在實際應(yīng)用中沒有出現(xiàn)問題，可見計算結(jié)果與實際相符。

表2 風(fēng)炮葉片結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果表

圖5 結(jié)果云紋圖

3 結(jié)論

以某型抑塵車風(fēng)炮為研究對象，通過流體CFD分析計算出風(fēng)炮葉片壓力，并將其導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析中，通過結(jié)構(gòu)有限元分析計算出了葉片應(yīng)力和葉片徑向位移，通過與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對得出此葉片強度和剛度性能均滿足設(shè)計要求。通過此實例驗證了文中提出的風(fēng)炮葉片有限元分析方法是可行的、有效的，有效地解決了風(fēng)炮葉片性能評估難的問題。

參考文獻(xiàn):

[1]李治軍．淺談多功能抑塵車的結(jié)構(gòu)特點[J]．大科技,2015(14)：20．

[2]黃榮明．一種智能化多功能抑塵車[J]．機電技術(shù)，2017(1)：5-7．