基于气-固耦合的风扇应力分析与结构优化

高建红 刘伦伦 段良坤 王俊然 付春雨

摘要：为解决某装载机工作过程中出现的风扇断裂故障，采用气-固耦合仿真方法，考虑风扇叶片静压及风扇作业旋转离心力影响，对故障风扇进行应力仿真计算。仿真分析结果表明，风扇断裂位置应力较大是风扇断裂的主要原因。对风扇结构进行优化，将轮毂厚度由0.3 mm增加至0.4 mm，并对优化后的风扇进行仿真和市场应用验证。仿真分析显示优化后风扇轮毂最大应力由204.7 MPa下降到141.5 MPa，且市场验证无故障反馈，有效解决了风扇断裂故障。

关键词：风扇；气固耦合；静压；离心力；应力；结构优化

中图分类号：TK424.22文献标志码：A文章编号：1673-6397（2023）01-0072-04

引用格式：高建红，刘伦伦，段良坤，等. 基于气固耦合的风扇应力分析与结构优化［J］.内燃机与动力装置，2023，40（1）：72-75.

GAO Jianhong，LIU Lunlun，DUAN Liangkun，et al.Stress analysis of fan and its structure optimization based on gassolid coupling［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（1）：72-75.

0引言

风扇是发动机冷却系统重要组成部件，为散热器、中冷器、冷凝器等系统提供适量空气，保证发动机润滑系统、液力缓速器等的散热需求[1-2]。发动机通常利用带传动驱动风扇工作，柴油机型风扇最高转速可达2000～3500 r/min，工作过程中一旦发生风扇断裂故障，在较大离心力作用下，极有可能造成散热器、风扇罩等周边零部件的连带损坏，严重影响车辆性能及人员安全，同时产生高昂的维修费用[3-4]。

某型号装载机市场反馈发生多起风扇断裂故障，给用户造成了较大损失。本文中结合风扇实际作业工况，采用气固耦合方法，通过FluentAbaqus软件联合仿真[5]，对故障风扇进行流场分析和结构强度分析，识别风扇应力危险区域，提出结构优化方案，并通过仿真和市场应用验证优化风扇的可靠性，有效解决了风扇断裂问题。

1风扇故障现象

故障风扇为5叶不等距风扇，叶片不等距分布可以使风扇在通过频率处产生调制现象，将基频对应的声能量峰值对称分布在基频两侧，降低风扇旋转噪声[6]，在工程机械领域应用较为普遍。风扇断裂位置和断口情况如图1所示。由图1可知：风扇从小间距扇叶轮毂根部断裂，并造成扇叶破损。

对故障风扇进行核查，发现多起故障断裂位置接近，故障发生时间集中在装载机作业1100～1700 h范围内。在故障风扇断口处机加工取样，利用超声波清洗后进行电镜观察和分析，断口微观形貌如图2所示。由图2可初步判断风扇扇叶断裂原因为弯曲疲劳断裂。

2风扇应力分析

2.1受力情况分析

风扇工作时主要承受离心力载荷、叶片表面静压载荷和动不平衡引起的载荷[7]，其中离心力载荷和叶片表面静压载荷起主要作用，在满足设计要求（一般动不平衡不大于30 g·cm）的情况下动不平衡载荷对风扇可靠性的影响可忽略不计。

2.2有限元分析模型

风扇断裂位置在轮毂根部，非风扇螺栓安装位置，因此与风扇连接的零部件（如风扇连接盘、垫块等）相关性较小。进行有限元仿真分析时，对模型进行简化处理，只考察风扇本体，以风扇安装螺栓孔为固定边界。风扇本体由扇叶和轮毂通过铆钉连接在一起，扇叶为非金属复合材料。风扇直径为780 mm，质量为6.4 kg。

气固耦合分析包括流场分析和结构强度分析，分别在Fluent软件和Abaqus软件中求解。利用Hypermesh软件进行网格处理，流场分析和结构强度分析对模型处理和网格划分要求不同[8]。流场分析不考察接触零部件连接关系，扇叶和轮毂接触位置不能有间隙，需将风扇及扇叶网格处理成整体；强度仿真重点考察轮毂根部位置应力，需保证轮毂沿厚度方向至少两层以上网格，在保证网格质量前提下，a）流场分析网格b）强度分析网格

去除扇叶边缘圆角、特征线等特征[9]，风扇流体和强度分析网格模型如图3所示。处理完成后风扇模型共生成421 220个网格，117 145个节点。

风扇轮毂材料为Q235，弹性模量为212 GPa，泊松比為0288，密度为7860 t/m3，抗拉强度为390 MPa，屈服强度为235 MPa。

2.3风扇表面静压仿真

2.3.1模型简化及参数设置

流场分析目的是提取风扇表面静压，风扇安装在机舱冷却模块导流罩内，导流罩截面为圆形，直径较风扇直径大30 mm，为简化模型及考虑流场分析收敛性，将流场仿真模型设计为长筒型结构，参考文献[10]中的D型管道进出气装置，将流场仿真模型简化处理为进口、管道、多重参考坐标系（multireference frame，MRF）旋转流体区、风扇、出口5部分，如图4所示。管道直径设置与导流罩直径一致，各部分模型及网格尺寸参数如表1所示。

该装载机装配的发动机额定转速为2100 r/min，风扇速比为0.91，因此流场分析风扇转速设置为1890 r/min；湍流模型选择能更好地处理流线弯曲程度的RNG 模型，压力修正算法采用SIMPLE，湍动能和湍流耗散率首先选择一阶迎风格式，计算收敛后调整为二阶迎风格式[11]，设置最大迭代次数为3000次，残差收敛条件为10-4。

2.3.2静压仿真结果

基于风扇图纸性能数据，在体积流量为5.7 m3/s工况下，风扇表面静压结果如图5所示。在Flunet软件Solution Data命令窗口，将风扇表面静压结果导出ASCII格式数据。

2.4应力分析

在Abaqus软件中进行风扇强度分析，包括压力映射和旋转离心力2个载荷步，其中旋转离心力载荷步继承压力映射载荷步结果[12]。在压力映射载荷步，通过Analytical Field（分析场）命令，将Fluent获取的风扇静压数值映射到结构强度分析网格上。在旋转离心力载荷步，设置旋转轴线及旋转角速度后软件自动计算旋转载荷[13]。该载荷步转速设置与流场分析保持一致，换算角速度为197.9 rad/s。

在静压和旋转离心力共同作用下，风扇轮毂最大应力分布云图如图6所示。由图6可知：风扇轮毂所受最大应力为204.7 MPa，虽低于Q235材料屈服强度限值235 MPa，但安全系数仅为1.15，低于推荐安全系数1.5。风扇轮毂最大应力出现在小间距叶片根部区域，与故障位置一致。

3风扇轮毂优化与验证

3.1结构优化

根据风扇最大应力出现位置及产品加工工艺，确定风扇优化方案为：将风扇轮毂壁厚由3 mm增加至4 mm，风扇叶片保持不变。

3.2优化方案可靠性分析

按2.4节仿真方法对优化后的风扇进行强度分析，结果如图7所示。由图7可知，优化后风扇轮毂最大应力为141.5 MPa，较原结构下降31%，安全系数提升至1.66，满足可靠性要求，最大应力出现位置与原结构接近。

对优化后的风扇进行约80台次装机市场验证，实际运行时间约2500～3000 h，未出现风扇断裂故障，优化措施有效。气固耦合仿真分析准确高效，可用于车辆风扇设计、选型。

4结语

通过FluentAbaqus软件联合仿真，对故障风扇进行可靠性分析，识别风扇应力危险区域。仿真分析结果显示，风扇断裂位置最大应力为204.7 MPa，且安全系数较低，是风扇断裂的主要原因。对风扇进行优化，将轮毂厚度由0.3 mm增加至0.4mm。优化后风扇轮毂最大应力下降到141.5 MPa，安全系数提高到1.66，满足可靠性要求，且市场无故障反馈，有效解决了风扇断裂故障。针对风扇结构的气-固耦合仿真方法准确高效，对风扇设计、选型及配套具有参考作用。

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