一种通风机叶轮机构的分析与设计(附件)【字数：13821】
摘 要摘 要离心式通风机是一种在工程应用上常见的通用机械，他在国民经济各个领域都有广泛的应用，包含了化学，机械以及车辆工程的诸多领域。叶轮则是离心通风机的关键部件，它运行的安全性、稳定性关于整个机组的可靠性起着十分重要的作用。本文根据离心通风机，本文通过采用相似设计的方法设计通风机叶轮，并以它作为对象进行建模，静力学分析和模态分析，使之满足工程应用要求。本文特别钻研了以下三个部分第一部份通过学习和查阅有关文献自来哦，来进行叶轮的理论设计。通过设计计算选取一种最佳的叶片的分布方案，结合相似设计所得到的离心式通风机的叶轮的参数，进行叶轮型线绘制，并进行PRO/E三维建模。第二部使用Ansys软件对叶轮结构强度进行静力学分析，先导入PRO/E三维建模的模型，接着对叶轮实体进行网格划分，施加载荷约束，进行静力学分析，通过应力图，找出设计的通风机叶轮构造的不足之处。第三部份通过对风机叶轮有限元模型进行模态分析，并提取前五阶模态参数，验证了叶轮的共振现象，通过模态分析观察设计的通风机叶轮的振动特性。关键词离心通风机叶轮；三维建模；静力学分析；模态分析
Keywords:?Centrifugal fan impeller; threedimensional modeling; static analysis; modal analysis 目 录
第一章 绪论 1
1.1 本课题研究的背景及意义 1
1.2 国内外研究现状分析 2
1.3 离心通风机未来发展趋势 4
1.4 本章小结 5
第二章 叶轮的理论设计及三维建模 6
2.1 风机的基础理论知识 6
2.2 离心式风机理论设计 6
2.2.1离心式风机概述 6
2.2.2叶轮的基本知识 7
2.2.3离心式通风机叶轮的设计方法 9
2.3 离心式风机叶轮的基本结构设计 10
2.3.1 风机的性能参数 10
2.3.1 风机叶轮的设计 11
2.4通风机的三维建模 16
2.4.1三维建模软件PRO/E的简介 16
2.4.2离心式通风机叶轮的三维建模 16
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2.5本章小结 18
第三章 叶轮的校核 19
3.1传统方法校核 19
3.2叶轮有限元分析及有限元软件ANASYS简介 21
3.2.1有限元方法介绍 21
3.2.2有限元软件ANSYS简介 21
3.3叶轮的有限元静力学分析 21
3.4叶轮的模态分析 24
3.4.1模态分析简介 24
3.4.2模态分析进行求解 25
3.4.3模态分析结果后处理 25
3.5本章小结 27
第四章 总结与展望 28
4.1结论 28
4.2展望 28
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 本课题研究的背景及意义
通风机是依靠输入的机械能，经由过程将机器的动能转变成为为气体的压力和动能并输出气体的一种机械，它是一种流体机械。一般来说通风机普遍的用于各行各业，在温度调节器和生活所用设备中起到了制冷和透风的作用，在工场、矿下、地轨、车辆、船舶和房屋起到了透风、排尘的作用，在气锅和工业锅炉里起到了透风和排风的作用，也包括了腾空船的输气和推动等也都是通过通风机来实现的。
20世纪70年代以来，伴随着我国经济的快速发展，离心式通风机使用数量和规模也越来越庞大。由于经济规模的逐步扩大，也使得风机也朝着大型化、大功率和集成化的方向发展。当今社会，环境污染日益严重，化石能源逐渐枯竭，然而大量使用大功率的通风机会造成更多的环境污染和以及消耗更多的电能和资源，所以风机是设计趋势势必在满足强度设计要求的情况下减少耗能、降低噪声和环境污染。当然更高的性能一定需要通过以牢靠的研发设计以及高质量作为前提和保障。我们可以预测到，在通风机研发设计中会出现非常多新的问题需要工程人员去解决，当中很重要的就是风机的强度问题和振动问题。
在离心式通风机内部的最重要部件就是叶轮，叶轮是一个在高速旋转的部件，所以它的受力情况在风机的零件里是最复杂的:一般来说当它在旋转的时分遭到向心力、重力、气流激振力等多种载荷的复合作用。这些载荷使得叶轮发生较大应力和变形，当其应力长时间大于材料的许用应力时，很可能导致叶轮产生开裂甚至飞车景象。所以对叶轮的构造进行强度校核是非常需要的，其强度和可靠性是风机的安全运行的基础。图11是叶轮应力过大造成的破损照片。
在实际工程应用中，很多企业对叶轮进行强度校核所采用的方法是传统理论方法。这种方法有固定的公式和理论可以套用，但对结构的简化过多而造成误差比较大，所以进入21世纪以来，不少国内著名企业开始引进新兴的有限元法(FEM)来进行叶轮的轻度校核，这种方法操作简单，结果图形形象化，精度较理论分析高，这种方法已经逐步替代传统理论的方法应用于工程实际生活中。
在离心同风机叶轮运转过程中，向心力、重力和气流激振力等一起作用在叶轮上面，而且可能因为装配操作不妥、密封不完善等诸多因素，叶轮会产生振动现象。如果激振频率接近叶轮的固有频率，长时间时叶轮会发生共振，使其内部产生巨大的动应力。这样会逐渐破坏叶轮结构，严重的时候会破坏风机的传动机构和壳体等，给风机的安全运行带来很大的隐患。所以，在校核设计方案时，叶轮的模态分析也是必不可少的。
综上所述，在设计完离心通风机叶轮之后，对叶轮进行静强度分析可以确保叶轮运行过程中的安全可靠，对减少风机的故障率有着重要意义。在此基础上，对叶轮进行模态分析，可进一步提高叶轮和风机的可靠性。
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叶片断裂 叶片加强环断裂
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叶片断裂 叶片撕裂
图1.1 叶轮部件断裂照片
1.2 国内外研究现状分析
风机在古代就已经被制造出来，用于人们的生活与生产中，两千多年前，勤劳的中国古代劳动人民就已经发明了古老的风车来进行输送水和碾压谷物。到了十九世纪出气，离心式通风机在英国首次被制造出来，当时采用的主要是木质结构。接着到了十九世纪中后期，风机在各国得到了快速发展，相关理论逐渐成熟，风机也逐渐应用到工业的生产活动之中。
在20世纪50年代初期，我国的第一机械工业部正式成立，成立之后在工业部的基础之上成立了第一机器工业管理局。工业管理局的成立标志着我国风机规范研发设计的开端。离心式风机产品的技术程度，自二十世纪五十年代以来，通过借鉴外国通风机，学习生产制做普通离心风机，到了二十世纪六七十年代，我国就开始了自主独立研发和设计，并且将整个行业联结起来，一起开发设计，先后自主研发了大量系列的各种规格不一样的离心式通风机，并且大部分自主研发的通风机已成为被国家认可的高效节能的机械。在二十世纪八十年代这段期间，结合外国风机发展的经验，开始了我国创新的新纪元，使中国的离心式通风机工业发生了非常大的变更，外国领先的技术得到了学习和领悟，拥有了一定的自研能力。到了二十世纪九十年代之后随着外国技术进一步领悟以及离心式通风机行业的快速发展，承担起了为石油、化工、煤炭、冶金、电力、矿山、纺织及环保等一系列重要的工程提供配套离心风机的工作。进入21世纪之后，我国基本上已经能够满足我国机械装备的各种各样需求。
Keywords:?Centrifugal fan impeller; threedimensional modeling; static analysis; modal analysis 目 录
第一章 绪论 1
1.1 本课题研究的背景及意义 1
1.2 国内外研究现状分析 2
1.3 离心通风机未来发展趋势 4
1.4 本章小结 5
第二章 叶轮的理论设计及三维建模 6
2.1 风机的基础理论知识 6
2.2 离心式风机理论设计 6
2.2.1离心式风机概述 6
2.2.2叶轮的基本知识 7
2.2.3离心式通风机叶轮的设计方法 9
2.3 离心式风机叶轮的基本结构设计 10
2.3.1 风机的性能参数 10
2.3.1 风机叶轮的设计 11
2.4通风机的三维建模 16
2.4.1三维建模软件PRO/E的简介 16
2.4.2离心式通风机叶轮的三维建模 16
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2.5本章小结 18
第三章 叶轮的校核 19
3.1传统方法校核 19
3.2叶轮有限元分析及有限元软件ANASYS简介 21
3.2.1有限元方法介绍 21
3.2.2有限元软件ANSYS简介 21
3.3叶轮的有限元静力学分析 21
3.4叶轮的模态分析 24
3.4.1模态分析简介 24
3.4.2模态分析进行求解 25
3.4.3模态分析结果后处理 25
3.5本章小结 27
第四章 总结与展望 28
4.1结论 28
4.2展望 28
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 本课题研究的背景及意义
通风机是依靠输入的机械能，经由过程将机器的动能转变成为为气体的压力和动能并输出气体的一种机械，它是一种流体机械。一般来说通风机普遍的用于各行各业，在温度调节器和生活所用设备中起到了制冷和透风的作用，在工场、矿下、地轨、车辆、船舶和房屋起到了透风、排尘的作用，在气锅和工业锅炉里起到了透风和排风的作用，也包括了腾空船的输气和推动等也都是通过通风机来实现的。
20世纪70年代以来，伴随着我国经济的快速发展，离心式通风机使用数量和规模也越来越庞大。由于经济规模的逐步扩大，也使得风机也朝着大型化、大功率和集成化的方向发展。当今社会，环境污染日益严重，化石能源逐渐枯竭，然而大量使用大功率的通风机会造成更多的环境污染和以及消耗更多的电能和资源，所以风机是设计趋势势必在满足强度设计要求的情况下减少耗能、降低噪声和环境污染。当然更高的性能一定需要通过以牢靠的研发设计以及高质量作为前提和保障。我们可以预测到，在通风机研发设计中会出现非常多新的问题需要工程人员去解决，当中很重要的就是风机的强度问题和振动问题。
在离心式通风机内部的最重要部件就是叶轮，叶轮是一个在高速旋转的部件，所以它的受力情况在风机的零件里是最复杂的:一般来说当它在旋转的时分遭到向心力、重力、气流激振力等多种载荷的复合作用。这些载荷使得叶轮发生较大应力和变形，当其应力长时间大于材料的许用应力时，很可能导致叶轮产生开裂甚至飞车景象。所以对叶轮的构造进行强度校核是非常需要的，其强度和可靠性是风机的安全运行的基础。图11是叶轮应力过大造成的破损照片。
在实际工程应用中，很多企业对叶轮进行强度校核所采用的方法是传统理论方法。这种方法有固定的公式和理论可以套用，但对结构的简化过多而造成误差比较大，所以进入21世纪以来，不少国内著名企业开始引进新兴的有限元法(FEM)来进行叶轮的轻度校核，这种方法操作简单，结果图形形象化，精度较理论分析高，这种方法已经逐步替代传统理论的方法应用于工程实际生活中。
在离心同风机叶轮运转过程中，向心力、重力和气流激振力等一起作用在叶轮上面，而且可能因为装配操作不妥、密封不完善等诸多因素，叶轮会产生振动现象。如果激振频率接近叶轮的固有频率，长时间时叶轮会发生共振，使其内部产生巨大的动应力。这样会逐渐破坏叶轮结构，严重的时候会破坏风机的传动机构和壳体等，给风机的安全运行带来很大的隐患。所以，在校核设计方案时，叶轮的模态分析也是必不可少的。
综上所述，在设计完离心通风机叶轮之后，对叶轮进行静强度分析可以确保叶轮运行过程中的安全可靠，对减少风机的故障率有着重要意义。在此基础上，对叶轮进行模态分析，可进一步提高叶轮和风机的可靠性。
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叶片断裂 叶片加强环断裂
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叶片断裂 叶片撕裂
图1.1 叶轮部件断裂照片
1.2 国内外研究现状分析
风机在古代就已经被制造出来，用于人们的生活与生产中，两千多年前，勤劳的中国古代劳动人民就已经发明了古老的风车来进行输送水和碾压谷物。到了十九世纪出气，离心式通风机在英国首次被制造出来，当时采用的主要是木质结构。接着到了十九世纪中后期，风机在各国得到了快速发展，相关理论逐渐成熟，风机也逐渐应用到工业的生产活动之中。
在20世纪50年代初期，我国的第一机械工业部正式成立，成立之后在工业部的基础之上成立了第一机器工业管理局。工业管理局的成立标志着我国风机规范研发设计的开端。离心式风机产品的技术程度，自二十世纪五十年代以来，通过借鉴外国通风机，学习生产制做普通离心风机，到了二十世纪六七十年代，我国就开始了自主独立研发和设计，并且将整个行业联结起来，一起开发设计，先后自主研发了大量系列的各种规格不一样的离心式通风机，并且大部分自主研发的通风机已成为被国家认可的高效节能的机械。在二十世纪八十年代这段期间，结合外国风机发展的经验，开始了我国创新的新纪元，使中国的离心式通风机工业发生了非常大的变更，外国领先的技术得到了学习和领悟，拥有了一定的自研能力。到了二十世纪九十年代之后随着外国技术进一步领悟以及离心式通风机行业的快速发展，承担起了为石油、化工、煤炭、冶金、电力、矿山、纺织及环保等一系列重要的工程提供配套离心风机的工作。进入21世纪之后，我国基本上已经能够满足我国机械装备的各种各样需求。
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