農機發(fā)動機葉片復雜零件的有限元仿真分析

劉雨亭，胡靖明

（甘肅農業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730074）

1 農機發(fā)動機冷卻風扇葉片

冷卻散熱風扇是農機發(fā)動機冷卻系統的關鍵零件，因此，發(fā)動機冷卻風扇的性能和效率也直接影響著農機發(fā)動機的性能，是評判農機發(fā)動機的重要標準之一[1]。一般情況下，農機發(fā)動機在使用過后都會產生比較大的熱量，為保證農機發(fā)動機的正常使用，就對發(fā)動機冷卻風扇的要求提高了，需要更大功率的冷卻風扇進行散熱工作。農機發(fā)動機冷卻系統如圖1所示。

但是散熱風扇屬于復雜零件，相對的制作成本比較高，所以要研究和優(yōu)化冷卻風扇的散熱功能，提高冷卻風扇的使用效率和使用周期，降低制造成本，推動農機發(fā)動機系統的發(fā)展。電氣自動化是一門對實踐要求比較高的學科，只是當前的高校教學模式忽視了實踐方面的教學，本文主要分析電氣自動化教學的現狀和措施，并充分探討農機發(fā)動機葉片復雜零件的有限元仿真分析的具體情況，尋找電氣自動化發(fā)展新方向。

圖1 農機發(fā)動機冷卻系統

2 農機發(fā)動機葉片復雜零件有限元算法分析

農機發(fā)動機的風扇葉片是一種典型的農機復雜零件，但由于復雜零件很難直接進行分析計算，所以在對其進行有限元分析的時候，可以先將復雜零件區(qū)塊劃分之后再進行區(qū)塊計算工作，這樣再進行計算得出來的結果是比較精準的，而且在計算的時候，要先假設有限元劃分過程中的網格節(jié)點都是一些未知的位移量，這樣能夠將數據更加清晰準確地表述出來。

比如 ，假設節(jié)點為{δ}e=[ui，vi，wi]T，網格單元 內的位移為{f}=[u，v，w]T，采用函數 N（X，Y，Z）進行描述的總位移方程為{f}=[N]{δ}e。

假設計算點坐標為（ξ，η，ζ），但是在實際進行運算的時候要進行轉化工作，將這個坐標轉化為（x，y，z），然后在每個坐標點下方進行節(jié)點 i的位移工作（ui，vi，wi），最終的方 程 表 達 式 為 {ε}={εx，εy，εz，yxz，yyz，yzx} 和 {ε}=[B]{δ}e在進行彈性計算的時候，假設[D]為彈性矩陣，那么應力矩陣[S]=[D][B]。

假設節(jié)點為{F}e，那么{F}e=[k]{δ}e。

從上述計算可以看出，采用有限元計算法進行復雜零件計算的時候，需要將這些復雜區(qū)域進行拆分，詳細步驟如下：第一步，導入初始模型。根據網格細節(jié)劃分，將拆分后的初始模型導入軟件中進行分析，這是一個前提準備工作，完成子區(qū)域的劃分工作之后將其標記，以方便后續(xù)的計算；第二步，模型處理工作。模型導入工作完成之后，將子區(qū)域進行計算，計算時主要考慮到子區(qū)域的個數，這樣才能保證計算的準確度；第三步，再次規(guī)劃模型。模型再次規(guī)劃主要是為了提高有限元計算的準確度來進行的，再次按照子區(qū)域計算的方式進行計算，能夠有效提高計算的精確度，只是還需要注意子區(qū)域的個數，促使復雜零件的有限元計算的精準度；第四步，系統生產一個網格模型。這個網格模型是根據兩次規(guī)劃以及規(guī)劃后的計算結果進行生產的，是有限元網格計算的詳細結果，也是計算完成后的最后模型，能夠通過對網格模型的分析得到一個詳細、準確的答案。除此之外，還可以采用模型和網格規(guī)劃，對最后的網格模型進行整合分析，從而提高有限元網格計算結果，提高網格計算的效率和質量。

3 農機發(fā)動機葉片復雜零件有限元仿真分析

為了驗證網格劃分方法對復雜機械零部件有限元網格劃分的可靠性，以重型農機發(fā)動機散熱風扇葉片的有限元網格劃分和仿真模擬為例，對網格劃分方法的可靠性進行了驗證[2]。有限元仿真表明：采用這種網格劃分方法可以有效地實現復雜零件的三維網格劃分。同時，將生成的網格代入到有限元軟件中進行了仿真計算，將計算結果和實驗測試結果進行了對比發(fā)現：仿真結果和實驗結果基本吻合，從而驗證了網格劃分的可靠性。

在進行農機發(fā)動機葉片復雜零件有限元分析的時候，要先使用有限元網格生成各個模型來進行分塊計算，再綜合計算分析，按照分塊劃分來進行模板整理，這樣可以得到一個準確的分析結果[3]。有限元分析方法是將農機發(fā)動機葉片的復雜零件進行拆分之后，使用有限元網格劃分后的分析[4]。具體步驟如下：一是模型導入。將初始模型綜合導入網格處理的軟件中，進行綜合劃分，劃分時考慮到模型的劃分邊界，促使模型邊界處于一個可以計算的空間，最后進行標記工作；二是處理模型規(guī)劃。使用計算區(qū)域劃分策略的形式進行具體的模型規(guī)劃工作，把具體的模型分化為幾個子區(qū)域，但是又不影響生產六面體區(qū)域；三是再次規(guī)劃模型。主要是為了提高模型計算的精確度，再次規(guī)劃會形成新的六面體區(qū)域和子規(guī)劃區(qū)；四是生產整個復雜網格模型。將上述兩次規(guī)劃的網格模塊區(qū)域進行組裝后，進行逆向映射，通過網格映和耦合連接，使其形成可以直接計算的網格完整模型。

圖2 風速

表1 仿真和實驗結果對比

由于農機電動機葉片復雜零件的優(yōu)化比較復雜，所以想要優(yōu)化農機散熱風扇，需要考慮很多方面[5]。為了驗證農機發(fā)動機風扇葉片優(yōu)化后的效果，采用有限元計算的方法分別計算了優(yōu)化前后風扇葉片的阻力，計算結果如圖2所示。

從圖2中看出，經過優(yōu)化后的電動機風扇葉承受的阻力明顯有所降低，所以風扇的散熱效果有所提升，對能源的消耗也比較少，綜合性能有所提高。

將有限元仿真結果和實驗數據進行對比，結果如表1所示。很明顯，在不同的風速條件下，有限元仿真計算的結果和實際檢測的結果相差不大，可見有限元仿真計算的準確性，這也從側面反映了有限元仿真分析的準確度。

4 結語

為進一步提高農機發(fā)動機葉片復雜零件的使用效果，可以采用有限元仿真分析進行性能計算，然后，綜合分析農機發(fā)動機葉片復雜零件的優(yōu)化問題[6]。本文將農機發(fā)動機散熱風扇葉片作為主要的研究對象，采用有限元網格劃分的方法將發(fā)動機散熱風扇葉的復雜模型進行劃分處理，利用網格計算法集中處理，并將有限元仿真計算的結果與實驗檢測結果進行對比，充分驗證有限元仿真計算的準確性和科學性，推動農機發(fā)動機葉片復雜零件的有限元仿真分析。