王復(fù)陽（雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川雅安　625000）

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基于Solidworks技術(shù)的鼓風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)的研究

王復(fù)陽
（雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川雅安625000）

摘要：隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國工業(yè)技術(shù)水平也在不斷提高，工業(yè)領(lǐng)域?qū)娘L(fēng)機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。當(dāng)前采用Solidworks技術(shù)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的葉輪創(chuàng)建三維模型，運(yùn)用系統(tǒng)計(jì)算分析校核和有限元分析方法，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)葉輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化篩選。文章通過分析Solidworks技術(shù)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的葉輪創(chuàng)建三維模型，對(duì)設(shè)計(jì)的葉輪進(jìn)行有限元的分析，旨在為我國的工業(yè)機(jī)械中鼓風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：Solidworks技術(shù)；鼓風(fēng)機(jī)葉輪；三維建模；設(shè)計(jì)

隨著我國工業(yè)領(lǐng)域?qū)Υ蠊β使娘L(fēng)機(jī)的廣泛應(yīng)用，實(shí)際生產(chǎn)的要求也在不斷提高，傳統(tǒng)的鼓風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)理論已經(jīng)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。但是我國的工業(yè)領(lǐng)域鼓風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)大部分還用傳統(tǒng)的計(jì)算方法來進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，所以優(yōu)化鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為我國鼓風(fēng)機(jī)行業(yè)急需解決的問題。鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)首先需要設(shè)計(jì)多種不同的方案，依據(jù)實(shí)際的要求設(shè)計(jì)相關(guān)的設(shè)計(jì)圖。對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行論證，最終采取最合適的方案來確定鼓風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)。文章主要分析利用Solidworks三維建模技術(shù)和三維有限元分析方法計(jì)算設(shè)計(jì)科學(xué)合理的鼓風(fēng)機(jī)葉輪，對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

1　鼓風(fēng)機(jī)三維建模

鼓風(fēng)機(jī)有限元分析建模開始階段，不要把大量時(shí)間浪費(fèi)在構(gòu)建幾何形體細(xì)節(jié)與實(shí)際構(gòu)件的一致性設(shè)計(jì)上，這樣會(huì)使得幾何建模的時(shí)間過長(zhǎng)，不能保證計(jì)算分析順利的進(jìn)行，從而分析結(jié)果的獲得難度就會(huì)增大。為了簡(jiǎn)化鼓風(fēng)機(jī)建模設(shè)計(jì)的過程，可以選擇建立一個(gè)等效模型，然后根據(jù)需要研究的問題確立設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型，對(duì)建模分析過程進(jìn)行簡(jiǎn)化，這樣的操作方式可以保證設(shè)計(jì)分析的有效性和正確性。Solidworks技術(shù)是一種三維建模和有限元分析的軟件，在工業(yè)領(lǐng)域利用Solidworks技術(shù)主要是進(jìn)行監(jiān)理鼓風(fēng)機(jī)零件的虛擬模型，有效保證鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部零件的工作運(yùn)行性能。為了鼓風(fēng)機(jī)零件性能最大程度的發(fā)揮，需要對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體簡(jiǎn)化的方法是把鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部的倒角、圓角等小部件進(jìn)行壓縮，需要注意的是進(jìn)行壓縮的小部件是不影響整體鼓風(fēng)機(jī)性能結(jié)構(gòu)的零件。最后根據(jù)各個(gè)部件之間的具體應(yīng)用關(guān)系，進(jìn)行部件的裝控，建立鼓風(fēng)機(jī)的三維模型。利用Solidworks技術(shù)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)在外觀和內(nèi)部核心進(jìn)行有限元的分析設(shè)計(jì)，最大程度的提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，縮短產(chǎn)品開發(fā)流程。

2　鼓風(fēng)機(jī)葉輪的有限元設(shè)計(jì)

（1）分析方法。我國的工業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)在一般利用Solidworks技術(shù)中的有限元分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)來進(jìn)行鼓風(fēng)機(jī)葉輪有限元的設(shè)計(jì)。使用有限元分析的優(yōu)點(diǎn)就是可以將復(fù)雜的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)速度化和規(guī)?；峁┕I(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中需要的設(shè)計(jì)信息。利用Solidworks技術(shù)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)葉輪通過有限元分析、探討，得出鼓風(fēng)機(jī)葉輪在承載狀況下的應(yīng)力分布狀態(tài)，計(jì)算出鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部的失效部位，并且對(duì)失效的部位進(jìn)行應(yīng)力集中的加強(qiáng)處理，保證鼓風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定度，提高鼓風(fēng)機(jī)在具體應(yīng)用中的運(yùn)行性能。經(jīng)常用到的有限元分析方法有：靜力分析、頻率分析、彎矩分析、熱分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)分析等，要根據(jù)不同的鼓風(fēng)機(jī)葉輪分析的需要選擇合適的有限元分析方法。

圖1　連續(xù)物體的離散過程

（2）有限元的計(jì)算原理。有限元就是根據(jù)物體內(nèi)部劃分的不同節(jié)點(diǎn)，把連續(xù)的物體進(jìn)行離散化。用每個(gè)離散的單元來表示原來復(fù)雜的物體狀態(tài)（如圖1所示）。其中對(duì)于連續(xù)物體的力學(xué)分析，一般有一定的計(jì)算方法，連續(xù)物體的逼近離散計(jì)算的公式為：Ω=∑Ωe，其中Ωe表示離散單位。

研究單位的特性，主要是通過形成節(jié)點(diǎn)外載矩陣，再根據(jù)節(jié)點(diǎn)的條件取頂模式中的相關(guān)系數(shù)，根據(jù)系數(shù)的條件推導(dǎo)出形狀函數(shù)矩陣：ue= Ne（x，y，z）qe，其中qe表示節(jié)點(diǎn)的自由度，Ne表示形狀函數(shù)矩陣。

（3）鼓風(fēng)機(jī)葉輪模型的等效處理。葉輪是鼓風(fēng)機(jī)當(dāng)中的主要研究對(duì)象，要對(duì)葉輪的模型進(jìn)行等效處理。但是工藝孔和工藝倒角在葉輪模型建立的過程中經(jīng)常會(huì)被忽略。鼓風(fēng)機(jī)的強(qiáng)度破壞主要是因?yàn)槿~輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中的離心力造成的。在有限元的計(jì)算中，鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和過盈配合的預(yù)應(yīng)力在一般情況下是不在計(jì)算的考慮范圍內(nèi)。并且在建模的過程中，葉輪葉片的處理是最為關(guān)鍵的部分。首先要根據(jù)相關(guān)的方程確定葉片的徑向曲線，曲線逐漸生成曲面，并且把曲面加厚，一般加厚的厚度為6.5mm，就可以生產(chǎn)葉片。把生成的葉片通過一定特征的處理就能生成鼓風(fēng)機(jī)的葉片。

（4）強(qiáng)度問題。①定義載荷。在具體的葉輪計(jì)算的過程中，離心力作為葉輪運(yùn)行的載荷，葉輪的約束的形式主要是圓周的約束，其他形式約束力可以忽略不計(jì)。②劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的軟件應(yīng)用的關(guān)鍵部分是合理分析出網(wǎng)格自動(dòng)劃分的信息。Cosmos、Works為網(wǎng)格自動(dòng)的劃分提供了兩種算法，分別是四面體實(shí)體單元和三角形殼體單元。兩種算法的主要區(qū)別在于線性和拋物線性的區(qū)別，前者的結(jié)點(diǎn)比后者的結(jié)點(diǎn)少，所以后者的計(jì)算精度就會(huì)較高，但是也有其相對(duì)的弊端，就是因?yàn)槠涔?jié)點(diǎn)較多和計(jì)算精度較高，會(huì)占用計(jì)算機(jī)資源程度比較高，計(jì)算的時(shí)間也會(huì)增多。在進(jìn)行鼓風(fēng)機(jī)葉輪三維建模時(shí)，其劃分單元一般采用拋物線性四面體實(shí)體單元。葉輪有限元?jiǎng)澐址治鲞M(jìn)行中，網(wǎng)格劃分必須要達(dá)到一定的要求，葉輪的厚度要求是6.5mm，四面體的單元的長(zhǎng)和寬基本要接近，所以最長(zhǎng)單元的邊長(zhǎng)要規(guī)劃在6.5mm左右。③計(jì)算分析。對(duì)葉輪進(jìn)行有限元的計(jì)算和分析后，如果葉輪的轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到8000r/min，葉輪葉片的根部應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)局部的屈服，并且屈服的區(qū)域呈紅色。解決局部屈服的措施有：第一，把葉片根部的直角半徑擴(kuò)大，從而減小應(yīng)力集中的力量；第二，葉片的厚度適當(dāng)?shù)脑黾樱瑴p小應(yīng)力集中的力量。但是擴(kuò)大半徑和增加厚度的同時(shí)伴隨著鼓風(fēng)機(jī)葉輪的重量會(huì)增加問題，所以要采取相應(yīng)的措施來減小葉片的重量。一般采用的是節(jié)省材料的方法，減小離心力，保證葉輪運(yùn)行強(qiáng)度的前提下實(shí)現(xiàn)葉輪重量的減小。如果葉片的厚度和根部圓角半徑的逐漸增加，葉片的根部沒有出現(xiàn)紅色的區(qū)域，說明沒有出現(xiàn)局部的屈服現(xiàn)象，滿足了葉輪相關(guān)轉(zhuǎn)速的要求。但是隨著厚度和根部圓角半徑的增加，材料的重量也會(huì)增加，所以要選擇材質(zhì)最輕的材料保證葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)的合理性。

（5）葉輪與軸過盈配合。一般的鼓風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)孔徑為265mm，軸的直徑為266mm，結(jié)合1mm過盈量的軸過盈，裝制葉輪的三維模型。葉輪保持靜態(tài)時(shí)，孔的變形量是5個(gè)節(jié)點(diǎn)的連線，軸的變形量是7個(gè)節(jié)點(diǎn)的連線。葉輪孔中心位置的變形量在0.4mm左右，軸的中心點(diǎn)變形量為-0.1mm。當(dāng)葉輪的轉(zhuǎn)速為8000r/min時(shí)，與葉輪保持靜態(tài)時(shí)的孔與軸的變形量節(jié)點(diǎn)的連線保持一致。綜上，葉輪的轉(zhuǎn)速保持在8000r/min時(shí)，葉輪孔徑與軸的過盈量為正，所以葉輪和軸不會(huì)發(fā)生脫落的現(xiàn)象。如果過盈量小于葉輪和軸設(shè)定的過盈量，就證明葉輪和軸的配合已經(jīng)符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

3　結(jié)語

綜上所述，基于Solidworks技術(shù)的計(jì)算和分析，確定鼓風(fēng)機(jī)葉輪的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，在滿足規(guī)定工作壓力的基礎(chǔ)上，使得葉輪和軸過盈量滿足設(shè)定的葉輪轉(zhuǎn)速要求。通過這樣的分析設(shè)計(jì)方法，在很大程度上減小了產(chǎn)品研發(fā)的周期，促使生產(chǎn)升本的降低，創(chuàng)造了在工業(yè)領(lǐng)域更高的利用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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Design Research on Blower Impeller Based on Solidworks Technology

WANG fu-yang
（Ya'an Vocational Technical College，Ya'an，Sichuan 625000，China）

Abstract:With the development ofsociety，economy and science and technology，industrial technology level also rises constantly in our country，the application of the blower in industrial field becomes wider and wider.In this paper，through the analysis of Solidworks technology，3D model of the blower impeller is created，finite element analysis of the impeller is made，in order to provide reference for the design of industrial machinery blower impeller in our country.

Key words:Solidworks technology；blower impeller；3D modeling；design

中圖分類號(hào)：TH44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-980X（2016）05-0079-02

收稿日期：2016-04-17

作者簡(jiǎn)介：王復(fù)陽，男，四川雅安人，大學(xué)本科，助教，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、數(shù)控加工。