基于HyperWorks的某軌道交通空調風機總成分析研究

文|浙江盾安人工環境股份有限公司 張克鵬

針對某軌道交通空調風機總成，利用前處理軟件HyperMesh對整個風機總成進行網格劃分，之后利用HyperWorks仿真平臺的有限元求解器OptiStruct對該風機總成進行分析。結果表明，在離心力和沖擊載荷作用下，風機總成的各個部件都沒有超過材料屈服強度，滿足設計要求。

一、概述

軌道交通是城市交通系統的主要組成部分，不但承載輸送乘客職能，而且要在高低溫環境下保證客艙內舒適性，空調系統需要發揮重大作用。地鐵空調系統主要由空調機組、風道、送風格柵及控制裝置等組成。其中空調機組不但要調節空氣的溫度和濕度，提供舒適環境，而且要保證高可靠性。而其中空調機組內風機的可靠性直接決定了整個空調機組的正常運行。因為在空調運行過程中，空調風機長期處于運行狀態，加上其轉速高，車輛運行過程中還有慣性加速度的沖擊，因此在整個軌道交通空調系統中，屬于易發生故障總成，因此有必要在設計時進行結構強度方面的分析研究和驗證。

文中利用HyperMesh建立某軌道交通空調風機總成的有限元模型，利用HyperWorks仿真平臺有限元求解器OptiStruct對風機總成在設計工況下進行強度分析，根據分析結果，判定設計方案的可靠性和合理性。

二、空調風機總成的有限元模型建立

1、三維模型建立

利用三維設計軟件SolidWorks進行某軌道交通空調風機三維總成的幾何實體建模，如圖1所示。HyperMesh可以提供各種主流三維模型的導入接口，由于是裝配件總成，為了防止模型幾何數據的丟失，模型按照國際標準化組織（ISO）所屬技術委員會制訂的國際統一CAD數據交換標準，導出為STEP格式。

圖1 某軌道交通空調風機總成三維模型

2、網格劃分標準

在將STEP格式的三維CAD模型通過HyperMesh的import導入功能加載到軟件界面之前，選擇求解器模塊為OptiStruct，后面所有的操作都將以HyperWorks的OptiStruct求解器為模板。薄壁板件將采用殼單元劃分，鍛造和鑄件一般采用體單元進行處理，為了更好地適應復雜幾何，提高單元質量，面網格一般采用三角形和四邊形混合方式，體網格采用六面體網格和金字塔網格Pyramid5，螺栓連接采用Rbe2+Beam方式進行連接。根據模型尺寸及最小特征尺寸，單元尺寸總體定義為：平均尺寸10mm，不容許單元尺寸低于2mm或高于20mm，單元長寬比不得大于5，單元質量控制標準如圖2所示。對風機總成進行有限元網格劃分，之后對網格質量進行檢查，包括最大最小角、雅克比，網格疊加性，連續性等，并對不合格網格進行優化調整，最終該軌道交通空調風機總成的有限元模型共有節點數72 567，單元數55 171，有限元模型如圖3所示，局部放大圖如圖4所示。

圖2 有限元單元質量標準

圖3 軌道交通風機部總成有限元模型

圖4 軌道交通風機總成局總成有限元模型有限元模型

3、屬性設定

對風機總成模型進行網格劃分后，建立單元屬性，根據單元類型建立殼單元及體單元屬性，殼單元需要定義其厚度，之后對其各個部件進行材料屬性的建立和設置。HyperMesh中有強大的材料屬性卡片，可以建立各種線性、非線性、各向同性和各向異性等材料。風機總成各部件的材料均為304不銹鋼，本文主要針對風機總成的強度計算，因此采用線性材料，計算中用到的材料屬性如表1所示。

表1 軌道交通風機總成材料屬性

4、約束及載荷

約束：葉輪與輪轂的螺栓連接之間定義接觸以模擬實際情況，螺栓建立三維實體網格，其他部位螺栓連接采用rigid+beam，葉輪與輪轂螺栓連接放大圖如圖5所示；風機總成框架安裝孔進行固定約束，約束其安裝孔的6個自由度，固定約束如圖6所示。

圖5 葉輪與輪轂螺栓連接及接觸

圖6 軌道交通風機總成有限元約束邊界

工況載荷：工況為空調風機正常工作下的額定工況，風機轉速為25rps，會對葉輪和輪轂產生離心力，利用RFORCE卡片進行離心力加載；考慮到軌道交通行駛過程中的轉彎及顛簸情況，轉彎+顛簸沖擊過程有加速度沖擊，施加沖擊加速度為X5 g，Y1 g，Z3 g。

三、分析結果

本文利用HyperWorks仿真平臺的OptiStruct求解器對該軌道交通空調風機總成進行求解。OptiStruct是Altair公司一款功能非常強大的通用結構分析求解器。廣泛應用于線性和非線性結構分析，適用于多個學科，包括靜力學和動力學、振動、聲學、疲勞和多物理場。同時OptiStruct與HyperMesh可以實現無縫銜接，載荷和約束設置完畢后，在HyperMesh中建立Load Step工況后，就可以提交計算。計算結果在后處理軟件HyperView中進行查看。圖7～11分別為風機總成靜態強度應力云圖及各個部件的應力云圖。

圖7 軌道交通空調風機總成應力云圖（應力/MPa）

圖8 軌道交通空調風機框架應力云圖(應力/MPa）

圖9 軌道交通空調風機電機支架應力云圖(應力/MPa）

圖10 軌道交通空調風機葉輪應力云圖（應力/MPa）

圖11 軌道交通空調風機輪轂應力云圖（應力/MPa）

從計算分析結果來看，軌道交通空調風機總成的最大應力為198MPa，出現空調風機框架上，為框架與電機支架的螺栓連接處；電機支架的最大應力為122.1MPa，出現在支架折彎處；風機葉輪的最大應力為142.1MPa，出現在每個葉輪的根部；風機輪轂的最大應力為26.53MPa，出現在輪轂與葉輪的螺栓連接處。所有部件的最大應力均為超過材料的屈服強度205MPa，滿足設計要求。

四、結語

本文以某軌道交通空調風機總成為研究對象，運用SolidWorks建立了幾何模型，利用HyperMesh建立了有限元模型，考慮風機轉動離心力和沖擊加速度載荷，用OptiStruct求解器進行了靜態結構強度分析。分析表明，各部件最大應力均未超過材料屈服強度。