基于SolidWorks的鼓风机叶轮有限元分析

0 引言

    目前，许多高速鼓风机在运转中，叶轮叶片都出现了不同程度的结构破坏，影响了风机的正常运行。有限元等数值分析理论和方法已经应用于风机结构设计中，通过准确的计算模型和叶片结构动力分析方法，进行结构的优化设计与性能的改进。

1 叶轮的强度计算

    离心鼓风机的叶轮主要由叶片、前盘、后（中）盘和盘轴等零件组成。其中，除轴盘用铸铁或铸钢制成外，其它件一般都是钢板制成。叶片有平板、圆弧和中空机翼型等形状；前盘有平的、圆锥的和圆弧等形状；后（中）盘则是平的圆盘。

    在叶轮的各组成零件中，叶片是最为主要的承受载荷的部分，叶片的结构和强度对风机的可靠性起重要作用，所以对叶片进行强度计算是十分必要的。在计算叶片强度时，首先采用传统的设计理论和刚性传动方法进行计算，然后再利用有限元法进行验证分析。

    由材料力学理论可知，如果叶片与前后（中）盘的连接为铆钉结构，则假定叶片为一简支梁；如为焊接结构，则假定叶片为一固定梁。叶片因本身质量产生的离心力，则假定为均布在梁上的载荷。

    1.1 平板叶片的强度计算

    平板叶片在强度计算时，把整个叶片看作承受均布载荷的梁。当叶轮以角速度ω旋转时，单个叶片因本身质量产生的离心力F(N)。

    式中，ρ为叶片材料的密度，kg/m3；钢的密度ρ=7.85×103kg/m3；ω为叶轮角速度，rad/s；b为叶片长度，m；l为叶片平均宽度，m；δ为叶片厚度，m；R为叶轮中心至叶片重心的半径，m；C为补助计算系数，C=ρω2；钢的补助计算系数C=86.08n2；n为叶轮转数，r/min。

    如图1，叶片重心近似假定在叶片工作面的O点上，将F分解成沿叶片法向力F1和切向力F2。

    图1 平板叶片的离心力及其分力图

    叶片在F1和F2力的作用下，在相应的方向产生弯曲。由F2产生的弯曲应力，因叶片的抗弯截面模量较大，实际上，可以忽略不计。面只计算有F1产生的弯曲应力。

    式中F1为弯曲应力，N；e为叶轮中心至叶片工作面的垂直距离e=Rsinφ，m；φ为F方向与F2方向之夹角，(°)。

    页片的抗弯截面模量：

    按简支梁计算时，叶片最大弯曲应力σmax(N/m2或Pa)