叶轮有限元分析

有限元法分析与建模课程设计报告报告题目：基于ANSYSWorkbench的叶轮结构强度和振动模态分析学院：机械电子工程学院指导教师：学生及学号：摘要涡轮增压器是一种高速回转的叶片机械，一旦出现故障，特别是运动部分发生故障，将导致整个增压器在极短时间内损坏。随着涡轮增压器压比及转速的不断提高，增压器转子叶轮部分的结构可靠性分析变得愈为重要。对某型号增压器叶轮系统使用Catia建立简化的模型，并使用ANSYSWorkbench有限元分析软件对叶轮系统进行静强度分析，得到最大应力与转速的曲线。以及对叶轮预应力振动模态分析，得到叶轮的自振频率和振型。为涡轮增压器叶轮系统的优化设计和动力学分析提供依据。关键词：涡轮增压器叶轮有限元法静强度分析模态分析ABSTRACTTheturbochargerisahigh-speedrotatingblademechanic,onceafailure,especiallymovingpartsfailurewillcausetheentireturbochargerdamageinaveryshorttime.Withthecontinuousimprovementoftheturbochargerpressureratioandrotationalspeed,turbochargerimpellerrotorstructurereliabilityanalysisbecomemoreimportant.TheuseofacertaintypeofturbochargerimpellersystembyCatiaestablishasimplifiedmodel,andtheuseoffiniteelementanalysissoftwareANSYSWorkbenchanalysistheimpellersystemstaticstrength,getacorrelativecurvewithmaximumstressandspeed.AndtheimpellerprestressedModalanalysis,gettheimpellernaturalfrequenciesandmodeshapes.Providethebasisforoptimizingthedesignanddynamicsanalysisturbochargerimpellersystem.Keywords:Turbocharger,Impeller,FEM,Staticstrengthanalysis,Modalanalysis目录第1章引言..................................................................................................................11.1有限元法及其优越性.....................................................................................11.2ANSYSWorkbench及其优点.....................................................................11.3问题的工程背景.............................................................................................1第2章叶轮强度计算..................................................................................................22.1静强度分析.....................................................................................................22.2静强度分析步骤.............................................................................................22.3材料特性定义.................................................................................................42.4网格划分.........................................................................................................52.5载荷和约束施加.............................................................................................82.6计算结果及分析.............................................................................................92.6.1叶轮应力分析......................................................................................92.6.2叶轮应变与变形................................................................................14第3章叶轮振动模态计算........................................................................................163.1叶轮的振动与模态.......................................................................................163.2带预应力模态分析步骤...............................................................................163.3计算结果与分析...........................................................................................18第4章总结................................................................................................................20参考文献......................................................................................................................211第1章引言1.1有限元法及其优越性有限元法将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。由于有限元法处理问题的特点，使其具有独特的优越性。主要表现在以下几个方面：有限元法能分析形状复杂的结构，能够处理复杂的边界条件，能够保证规定的工程精度，能够处理不同类型的材料[1]。1.2ANSYSWorkbench及其优点ANSYSWorkbench整合ANSYS各项顶尖产品，简单快速地进行各项分析及前后处理操作。ANSYSWorkbench提供与各种三维软件双向即时互动的强大连结能力及方便迅捷的设计流程，可以协助设计开发者轻易发挥CAE对设计流程最大的贡献。ANSYSWorkbench与CAD系统的实体及曲面模型具有双向连结，其导入CAD几何模型之高度成功率，可大幅降低除错时间且缩短设计与分析。鉴于其优越的处理能力，本文选择其作为处理问题的工具。ANSYSWorkbench具有强大的装配体自动分析功能，自动化网格划分功能，协同的多物理场分析环境及行业化定制功能，快捷的优化工具DesignXplorer等[2]。1.3问题的工程背景涡轮增压器压气机是一种高速回转的叶片机械，一旦出现故障，特别是运动部分发生故障，将导致整个增压器在极短时间内损坏[3]。随着涡轮增压器压比及转速的不断提高，增压器转子叶轮部分的结构可靠性分析变得愈为重要。车用涡轮增压器的工作转速一般为100000r/min，最高达近260000r/min。叶轮的高速旋转造成应力过大导致低周疲劳、一次性强度破坏以及叶轮振动引起的损坏是增压器叶轮损坏的主要原因。本文运用大型通用有限元分析软件ANSYSWorkbench，2对某型号涡轮增压器叶轮进行了静强度分析以及预应力振动模态分析，分别得出最大应力与转速关系和自振频率和振型，为叶轮的动态特性设计和动力学分析提供了理论依据。第2章叶轮强度计算2.1静强度分析静强度分析研究结构在常温条件下承受载荷的能力，通常简称为强度分析。静强度除研究承载能力外，还包括结构抵抗变形的能力（刚度）和结构在载荷作用下的响应（应力分布、变形形状、屈曲模态等）特性。静强度分析包括下面几个方面的工作。1校核结构的承载能力是否满足强度设计的要求，其准则为：若强度过剩较多，可以减小结构承力件尺寸。对于带裂纹的结构，由于裂纹尖端存在奇异的应力分布，常规的静强度分析方法已不再适用，已属于疲劳与断裂问题。2校核结构抵抗变形的能力是否满足强度设计的要求，同时为动力分析等提供结构刚度特性数据，这种校核通常在使用载荷下或更小的载荷下进行。3计算和校核杆件、板件、薄壁结构、壳体等在载荷作用下是否会丧失稳定。有空气动力、弹性力耦合作用的结构稳定性问题时，则用气动弹性力学方法研究。4计算和分析结构在静载荷作用下的应力、变形分布规律和屈曲模态，为其他方面的结构分析提供资料。2.2静强度分析步骤采用Catia绘制叶轮模型。将Catia建立的三维模型生成符合IGES标准的文件，导入ANSYSWorkbench中。图2-1所示为叶轮模型。Workbench强度分析步骤如图2-2。3图2-1叶轮模型图2-2结构强度分析步骤静强度分析材料特性定义导入模型网格划分添加载荷约束计算求解结果4首先进行材料定义，然后将三维模型导入Workbench中，使用Mesh软件定义网格计算参数后进行划分，然后定义边界条件和载荷的定义，最后进行求解计算，得出结果并分析。2.3材料特性定义双击EngineeringData进入材料库，选择GeneralMaterials，叶轮选用材料为铝合金，然后在Material下添加AluminumAlloy。图2-3所示即为选材过程。材料属性如表1所示。图2-4为铝合金的S-N寿命曲线。材料定义完成后，返回Project，在导入模型后双击Model进入Mechanical界面，在Material下，Assignment中选择刚才定义的材料。图2-3材料定义表1叶轮材料属性表密度/kg/m3弹性模量/GPa泊松比屈服极限/MPa抗拉轻度/MPa2770710.332803105图2-4铝合金S-N寿命曲线2.4网格划分分网的工作量大，需要考虑的问题多，网格形式直接影响结果精度和模型规模，因此，分网是建模过程中最为关键的环节[1]。划分网格时一般应考虑以下一些原则。1网格的数量在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。在静力分析时，如果仅仅