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1 前言
自我厂成功设计开发了陕西神木2.8 万NM3/H 空分装置用离心压缩机(H467),实现了压缩机设计史上的重大突破,开创了我厂大型空分装置用悬臂离心压缩机组的自行设计制造的新天地,该成果的意义是深远的,社会和经济效益也是巨大的。鉴于首级轮的特点,设计者往往要对它的力学性能保持高度重视。本文应用ANSYS Workbench 软件对首级半开式叶轮进行强度分析,并且根据分析所得结果,对原有结构进行优化改进。
ANSYS Workbench 是用ANSYS 求解实际问题的新一代产品,它给ANSYS 的求解提供了强大的功能。这种环境为CAD 系统提供了全新的平台,保证了最好的CAE 结果。
目前我厂主要使用ANSYS Mechanical 中的结构力学分析部分(Structure 模块)该工具有如下技术特点:
1. 双向参数互动的CAD 接口
2. 智能网格生成器
3. 各种结果的数据处理
4. 各种结果的图形及动画显示
5. 全自动生成计算报告等。
2 利用SOLIDWORKS 2008 对该叶轮进行三维造型并转入AWE前处理
使用SOLIDWORKS 软件进行建模。作为著名CAD 软件之一,个人觉得它非常适合与ANSYS 进行数据共享。尤其对一些大型压缩机整体承重分析,更能体现其与Workbench的理想组合。
2.1 建立叶轮三维模型
通过CAXA 所绘二维图纸,将轮盘子午面绘制到新零件的右视图中,作为实体的一个截面数据,通过旋转实体命令可生成实体。对于此类叶轮,如仅是三维造型,则会有很多方式去实现它,但我为了使该模型在ANSYS 中得到更好的应用效果,所以对其做了一部份局部的细节处理:删除了叶片周围原有的小圆角和轮盘轴孔前后端的两处倒角等等。总结以往工作经验,发现利用软件中的曲面包络建立的模型,无论从外观效果,还是局部的合理化程度,都达到了很高的水准。叶轮三维效果如图1 所示。
2.2通过软件接口将模型数据传入AWE分析
ANSYS Workbench 拥有强大的双向参数互动的CAD 接口,它能轻易地实现CAD 与Workbench 间的数据传递,并且可以提供参数的双向互动,这些带给设计人员更加便捷的工作效率。特别是对一项工作需要优化并反复修改时,它方便快捷的优势体现的更加淋漓尽致。
通过ANSYS 接口,选择将叶轮导入DM(Design Modeler),应用Surface body 将轮盘表面作为待选面,冻结(Frozen)实体并通过面将其分割,使用切片工具(Slicing )。
利用上述命令得到各个叶片与轮盘分离效果,对所有实体使用Form New Part 命令,将其转化为多体零件(Multibody Parts )用来使各个实体间共享相同节点。
将处理后的几何特征在DS(Design Simulation )中进行Sweep 分网,得到我所需要的两层叶片效果(见图2)。鉴于叶片结构特征,厚度方向尺寸远小于其他部分尺寸,这样做是为了得到更加准确的仿真结果。
3 后续工作及优化方案
计算得Equivalent (Von-mises) 值为756.91 Mpa,位于叶片根部(见图3)。在此希望将应力降低到750Mpa以下来满足客户的要求。考虑若干方案后,决定通过修改叶片参数来实现。通过我厂NREC气动计算程序求出了4个文件:
1. plus1mm.BLA
2. plus2mm.BLA
3. plus3mm.BLA
4. plus4mm.BLA
包含将叶片厚度增加1~4mm 后,叶片吸力面及压力面对应的空间曲线X、Y、Z、R 参数。我在此计算了其中的一例:将叶片靠近轮盘侧厚度加3mm,顶侧厚度加1mm 。如加的太厚,则会影响气动,降低整机效率是不可接受的结果。
修改后的模型可以快速通过双向参数互动的CAD 接口导入,该接口使得优化结果无需多次存盘,避免了繁多的优化数据文件,可以在Project 里罗列出全部的优化方案,一目了然,无形中缩短了设计周期,提高了效率。
本次优化结果Equivalent (Von-mises) 值为733.92 Mpa,且最大应力区域没有转移(见图4),达到了优化目的。
图1(模型) 图2(网格)
图3(原模型应力分布) 图4 (最终优化结构应力分布)
4 结论
由上述分析可见,利用ANSYS-Workbench 可便捷、准确地对离心压缩机中的半开式叶轮进行强度分析及验证, Workbench 的应用,使得我厂设计周期大大缩短,明显地提高了设计人员的工作效率。
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