基于ANSYS的风量调节机构叶片固有频率分析

赵小刚

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

0 引言

模态分析是确定系统振动特性的一种技术，它关注的是系统自身基本的动力特性，是所有动力学分析中最基础的部分。

叶片工作过程中冲击和振动不可避免，叶片的振动特性直接影响调节机构的动力特性，因此对叶片进行振动分析是评判调节机构运动特性的重要指标。本文采用有限元分析方法，对于风量调节机构的叶片的动力特性进行了分析计算。

1 建立叶片计算模型

论文在第三章中已采用Pro/E 软件完成了风量调节机构所有零件的三维建模及整机装配，本章将Pro/E 中将建立的.PRT 文件模型另存为.iges 格式后导入到ANSYS13.0 中，并重新进行关键点合并、实体产生、小面积的删除等处理，以得到准确的计算模型。将Pro/E 中建立的模型导入到ANSYS13.l 后，利用ANSYS13.1 的模态分析功能对主要零件及结构做模态分析。所建立的叶片的计算模型如图1 所示。

2 网格划分

鉴于高阶三维实体单元SOLID187 适合于CAD 中不规则的复杂模型，单元具有塑性、高弹性、蠕变、膨胀应力刚化、大变形、大应变等功能。因此本文选择单元库中的Tet 10node 187 作为叶片的实体单元。叶片的材料采用45 钢，材料属性中弹性模量泊松比μ=0.3、密度ρ=(7.85×10-3)kg/m3。考虑自由网格划分对于单元形状没有限制，也没有特殊的规则，实体模型的构建很简单，故对所建立的计算模型进行自由网格划分，得到有限元模型如图2 所示。

图1 叶片模态分析的计算模型

图2 叶片有限元网格模型

3 建立计算边界条件

计算边界条件如图3。边界条件施加的坐标系见4。坐标系为圆柱坐标系。在与叶片垂直的表面施加均布载荷约束。

图3 叶片模态分析的温度条件

图4 叶片模态分析的计算坐标系

4 加载和求解

加载即施加约束，主要是定义对节点自由度的限制。针对结构特点和分析要求，本文通过Define Loads 设置约束，首先将约束面设置为叶片旋转端的轴表面，并约束所有自由度，（对话框中选择ALL DOF）。在求解之前，先设定分析类型为模态(moda1)分析，并选择block lanczos 作为模态提取方法。由于低阶模态在结构动力学分析中作用更为突出，因此在模态级数和模态扩展数文本框中输入6，再进行求解。通过求解计算，即可获得叶片的6 阶模态的固有频率，如表1所示。求解完成后，采用ANSYS 的后处理功能，可读取求解结果，显示结果图形或列表显示结果。叶片分析计算结果汇总如表1 所示。叶片各阶模态及振型如图5-图10 所示。

表1 叶片的固有频率计算结果

图5 叶片1 阶模态及振型

图6 叶片2 阶模态及振型

图7 叶片3 阶模态及振型

图8 叶片4 阶模态及振型

图9 叶片5 阶模态及振型图

图10 叶片6 阶模态及振型

5 结论

计算结果表明，所设计的风量调节机构叶片的1-6 阶固有频率远远避开驱动端转速和非驱动端转速，不会发生共振。风量调节机构的动力特性良好。