風(fēng)筒葉片撞擊瞬態(tài)響應(yīng)的數(shù)值模擬

Numerical Simulation of Transient Response of Duct Blade Impact

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　于亞彬/中國(guó)航天科工集團(tuán)第四總體設(shè)計(jì)部
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　陳 偉/南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院

摘要：應(yīng)用有限元方法對(duì)丟失的失效風(fēng)機(jī)葉片撞擊風(fēng)筒的非線性瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究，模擬了葉片撞擊風(fēng)筒的過(guò)程，分析了撞擊過(guò)程中葉片、風(fēng)筒的變形、應(yīng)力與能量變化。結(jié)果表明：有限元方法能較好地模擬風(fēng)機(jī)葉片丟失后撞擊風(fēng)筒的過(guò)程，該型風(fēng)機(jī)風(fēng)筒對(duì)葉片具有包容性。
關(guān)鍵詞：軸流式通風(fēng)機(jī) 風(fēng)筒 葉片 撞擊 瞬態(tài)響應(yīng)
中圖分類號(hào)：Ｖ232.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ
文章編號(hào):1006-8155(2005)05-0020-04
Abstract: The finite element method is used to calculate the nonlinear transient response when the fan duct impacted by failure blade, the process of impacting duct is simulated, deformation of blade and duct, change of stress and energy during the process of impacting are analyzed. The result shows that the finite element method can simulate the impacting duct process after the fan blade loss. This fan duct can contain blade.
Key words: Axial fan Duct Blade Impact Transient response.

1 引言
　　在風(fēng)機(jī)的使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)葉片由于自身材料和加工缺陷、外物損傷、疲勞、振動(dòng)以及惡劣的工作環(huán)境等因素造成的葉片斷裂。斷裂的葉片以很高的速度飛出會(huì)打傷其它葉片，甚至造成整級(jí)葉片全部損壞，而飛出的斷片以較高的速度撞擊風(fēng)機(jī)風(fēng)筒，同樣會(huì)造成嚴(yán)重的損傷，甚至擊穿風(fēng)筒，從而可能損壞地面其他設(shè)備和威脅工作人員的生命安全，造成災(zāi)難性的后果[1～7]。因此，必須得采取預(yù)防性的措施來(lái)包容所有具有潛在危險(xiǎn)情況的高能量葉片。　　另外，合理設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)風(fēng)筒，使其在保證風(fēng)筒包容性的前提下耗材最小、重量最輕，即進(jìn)行最優(yōu)風(fēng)筒設(shè)計(jì)有著重要意義。本文的目的在于在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的風(fēng)機(jī)葉片撞擊損傷模擬，為新型風(fēng)機(jī)的研制，以及在役風(fēng)機(jī)的改進(jìn)、排除故障提供設(shè)計(jì)技術(shù)。2 三維非線性有限元方程
　　對(duì)非對(duì)稱的三維問(wèn)題，只有采用三維應(yīng)力波的描述方法才能較真實(shí)地模擬高速碰撞過(guò)程中應(yīng)力波的傳播[8]。對(duì)兩個(gè)高速碰撞接觸物體組成的體系，根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理，該過(guò)程必須得保持能量守恒、動(dòng)量守恒和質(zhì)量守恒。采用Lagrange描述法，根據(jù)虛功原理，高速碰撞工程中的控制方程為

　　式（1）中各項(xiàng)分別表示單位時(shí)間內(nèi)體系的慣性力、內(nèi)力和外力的虛功。將式（1）有限元離散化，得到離散方程為

3 本構(gòu)關(guān)系的描述
　　對(duì)被沖擊的葉片材料，可采用塑性隨動(dòng)硬化本構(gòu)模型[9]。它適用于塑性破壞和高應(yīng)變率材料的碰撞損傷問(wèn)題，考慮了材料的應(yīng)變率，并帶有破壞斷裂模型。該模型的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力為

4 計(jì)算分析

　　采用大型非線性有限元程序LS-DYNA作為主要分析工具，對(duì)葉片撞擊風(fēng)機(jī)風(fēng)筒問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與分析，計(jì)算結(jié)果較好地模擬了葉片撞擊風(fēng)筒的過(guò)程。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，假設(shè)只有單個(gè)葉片撞擊風(fēng)筒，不考慮其它葉片的影響。施加在飛斷葉片上的速度為折合速度。4.1 計(jì)算模型與說(shuō)明
　　風(fēng)機(jī)風(fēng)筒內(nèi)徑為0.908m，厚度為0.004m，進(jìn)氣方向長(zhǎng)0.3m。葉片長(zhǎng)0.330m，厚度0.003m。風(fēng)筒共分32000個(gè)單元，主要撞擊區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，采用實(shí)體3D Solid 164以sweep方式劃分有限元模型，模型風(fēng)筒的一端端面約束。葉片分為350個(gè)單元，采用實(shí)體3D Solid 164以map方式劃分有限元模型，通過(guò)對(duì)不同高度葉片節(jié)點(diǎn)的速度施加實(shí)現(xiàn)整個(gè)葉片速度的分布。葉片轉(zhuǎn)速為1500r/min，順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，葉片速度分布見(jiàn)圖3，其中ω為葉片角速度，r為對(duì)應(yīng)葉片上不同高度處的旋轉(zhuǎn)半徑，v(r)為對(duì)應(yīng)葉片旋轉(zhuǎn)半徑 r 處的切向速度。材料取典型的塑性隨動(dòng)硬化模型，材料屬性見(jiàn)表1�！　〔捎糜邢拊�分析軟件ANSYS/LS-DYNA提供的接觸沖擊算法進(jìn)行葉片撞擊風(fēng)筒的數(shù)值計(jì)算，定義不同部件間的接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸力和能量的傳遞。采用點(diǎn)對(duì)面Erode Nodes-Surface的接觸方式定義葉片與風(fēng)筒的接觸，其中風(fēng)筒為目標(biāo)體，葉片為接觸體，從而實(shí)現(xiàn)葉片撞擊風(fēng)筒的模擬；定義葉片自身的面接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片自身的卷曲接觸模擬，其中目標(biāo)體和接觸體均為葉片。風(fēng)筒材料失效的有效塑性應(yīng)變?cè)O(shè)置為0.3[10]，如果超過(guò)這個(gè)值，那么就認(rèn)為單元失效并被刪除.如果沿著某一方向風(fēng)筒的一排單元失效,那么就表示對(duì)葉片的包容失敗。葉片包容性問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算研究在國(guó)內(nèi)尚屬首次，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，假設(shè)撞擊過(guò)程無(wú)阻尼、無(wú)摩擦。
表1 材料屬性材料彈性模量E/GPa屈服應(yīng)力σS/MPa泊松比μ密度ρ/（kg/m3）硬化模量ET/GPaZL104A（葉片）692100.3326800.6920（風(fēng)筒）2113660.28678502.11
4.2 計(jì)算結(jié)果與分析

4.2.1 風(fēng)筒葉片撞擊過(guò)程分析
　　圖4為風(fēng)機(jī)葉片撞擊風(fēng)筒過(guò)程等效應(yīng)力時(shí)間歷程示意圖。圖5為風(fēng)機(jī)葉片撞擊風(fēng)筒過(guò)程中風(fēng)筒被撞擊部位的等效應(yīng)力時(shí)間歷程示意圖。由圖4和圖5可知，當(dāng)t=2.4E-4s時(shí)刻，葉片的葉尖撞擊風(fēng)筒，并發(fā)生卷曲。已經(jīng)卷曲了的葉片順轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向飛過(guò)微小的距離后，用靠近其中心的凸起部位，幾乎是貼著風(fēng)筒內(nèi)壁再次撞擊風(fēng)筒內(nèi)壁，在t=2.4E-3s時(shí)刻，葉片卷曲程度在撞擊過(guò)程中進(jìn)一步加深而達(dá)到最大，此時(shí)風(fēng)筒局部材料屈服，產(chǎn)生了塑性變形，但葉片未穿透風(fēng)筒。

4.2.2 撞擊過(guò)程中能量分析　　圖6和圖7分別為撞擊過(guò)程中葉片和風(fēng)筒能量的時(shí)間歷程示意圖。圖中E為能量，t為時(shí)間。由圖6可知，葉片主要撞擊風(fēng)筒兩次，從葉片飛出到葉片撞擊風(fēng)筒，葉片動(dòng)能保持不變，葉片變形能量為零。隨著葉片接觸并撞擊風(fēng)筒，葉片動(dòng)能開(kāi)始逐漸減少。消耗在第一次撞擊中的能量只是葉片前面小部分質(zhì)量所具有的能量，而大部分能量則消耗在第二次撞擊上。撞擊結(jié)束后葉片具有一定塑性變形能和動(dòng)能。由圖7可知，從葉片飛出到撞擊風(fēng)筒，風(fēng)筒動(dòng)能和變形能量保持不變，隨著葉片接觸并撞擊風(fēng)筒，風(fēng)筒變形能與動(dòng)能逐漸增加，其中動(dòng)能增加相對(duì)較小，變形能增加顯著。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　應(yīng)用大型非線形有限元程序成功地模擬了某型風(fēng)機(jī)的風(fēng)筒葉片撞擊過(guò)程，評(píng)估了該型風(fēng)機(jī)葉片的包容性，數(shù)值結(jié)果可以為風(fēng)機(jī)風(fēng)筒葉片撞擊損傷設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。為了更準(zhǔn)確地評(píng)估風(fēng)筒葉片撞擊損傷，需要進(jìn)一步開(kāi)展整級(jí)葉片交互作用下葉片撞擊風(fēng)筒的模擬和試驗(yàn)工作。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 郝仁禮. 鍋爐一次風(fēng)機(jī)飛車事故原因分析及預(yù)防措施. 太原科技,2001（5）.

一、 項(xiàng)目背景：
北京首鋼集團(tuán)是國(guó)內(nèi)十大鋼廠之一，年生產(chǎn)1000萬(wàn)噸鐵水（設(shè)計(jì)），由于現(xiàn)在部分轉(zhuǎn)產(chǎn)，產(chǎn)量有所下降。首鋼皮帶廠（現(xiàn)在與燒結(jié)廠合并）負(fù)責(zé)全首鋼料倉(cāng)的除塵工作。所有原料都是經(jīng)由皮帶傳送到料倉(cāng)的，在下料時(shí)會(huì)產(chǎn)生或多或少的粉塵，這些粉塵會(huì)造成環(huán)境污染和設(shè)備老化，使設(shè)備維護(hù)檢修困難，所以進(jìn)行除塵成為必然。由于原料種類繁多，不同的原料下料時(shí)產(chǎn)生的粉塵的多少不同，而且，皮帶帶料的時(shí)間也經(jīng)常變化，大約每天有60％的時(shí)間皮帶帶料，另有40％的時(shí)間無(wú)料或料少，這樣在風(fēng)機(jī)始終滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，就造成了不必要的能源浪費(fèi)。首鋼經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的電機(jī)調(diào)速產(chǎn)品的考察、對(duì)比，最后選用北京利德華福技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻調(diào)速工程，對(duì)料倉(cāng)的除塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。

二、 設(shè)備概況

首鋼皮帶廠除塵風(fēng)機(jī)為沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的280KW異步電機(jī)，機(jī)組的主要參數(shù)如下：
除塵風(fēng)機(jī)參數(shù)：
型號(hào)： C4-73-11N0：18D-45
風(fēng)量： 17.5萬(wàn)m3／h
風(fēng)壓： 4100Pa
電機(jī)參數(shù)：
電機(jī)型號(hào)： YKK-400/6
額定功率： 280kW
額定電壓： 6kV
額定電流： 36A
額定轉(zhuǎn)速： 990rpm

三、 HARSVERT-A變頻器的性能

首鋼皮帶廠的料倉(cāng)的除塵風(fēng)機(jī)共一臺(tái)，采用HARSVERT-A06/040變頻器進(jìn)行調(diào)速控制。變頻器為直接高-高方式，單元串聯(lián)多電平的電壓源型，外加一面手動(dòng)旁路柜，旁路柜為北京開(kāi)關(guān)廠外協(xié)生產(chǎn)的，共有兩個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，可以使風(fēng)機(jī)在工頻和變頻兩種狀態(tài)在工作。變頻器的主要性能指標(biāo)如下：
變頻器容量 375KVA
額定輸出電流 36A
輸入頻率 45Hz到55Hz
額定輸入電壓 6000V
允許電壓波動(dòng) ±10%
輸入功率因數(shù) ≥0.96（大于20%負(fù)載時(shí)）
輸出頻率范圍 0Hz到50Hz（即：調(diào)速范圍0~100%）
變頻器效率 ≥98％（不含輸入變壓器）
輸出頻率分辨率 0.01Hz，無(wú)級(jí)調(diào)速
過(guò)載能力 120%一分鐘，150%立即保護(hù)
為了適應(yīng)電廠設(shè)備運(yùn)行安全性及工藝需要，變頻器除了以上基本性能指標(biāo)滿足要求外，還具有如下功能：

1. 風(fēng)機(jī)變頻改造后，既可變頻調(diào)速運(yùn)行，也可以直接投工頻運(yùn)行；
2.為變頻器提供的220V控制電源掉電時(shí)，由于變頻器的控制電源和主電源沒(méi)有相位及同步要求，變頻器可以用UPS供電繼續(xù)運(yùn)行，不會(huì)停機(jī)；當(dāng)控制工程檢修時(shí)，可能停電時(shí)間較長(zhǎng)，根據(jù)用戶要求，在長(zhǎng)時(shí)間�？刂齐娫磿r(shí)，短接一對(duì)觸點(diǎn)，就可以滿足工頻啟動(dòng)的需要；
3.根據(jù)用戶要求，觸摸屏上顯示實(shí)際風(fēng)量；
4.變頻器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，用戶配備電話專線；

四、 項(xiàng)目實(shí)施情況

2001年7月2日，正式簽定變頻器的供貨合同和技術(shù)協(xié)議；
2001年9月24日，變頻器分別運(yùn)抵首鋼皮帶廠庫(kù)房；
2001年9月27日，變頻器開(kāi)始吊裝。
2001年9月28日開(kāi)始至10月1日，變頻器本體安裝，控制工程調(diào)試完畢且上位機(jī)調(diào)試完畢；
由于現(xiàn)場(chǎng)上高壓帶載條件不具備，所以，等待首鋼人員準(zhǔn)備。
2001年12月3日，變頻器開(kāi)始帶高壓空載調(diào)試；
2001年12月4日~5日，變頻器帶負(fù)載運(yùn)行調(diào)試；
2001年12月6日～8日，變頻器開(kāi)始第一個(gè)72小時(shí)滿載運(yùn)行；由于旁路柜的隔離開(kāi)關(guān)出現(xiàn)問(wèn)題，變頻器停機(jī)。
2001年12月14日～16日，變頻器正式開(kāi)始72小時(shí)滿載運(yùn)行，一切正常，運(yùn)行穩(wěn)定。
2001年12月24日，變頻器正式交接，首鋼�？痹撼鰮�(jù)驗(yàn)收?qǐng)?bào)告。

五、 除塵風(fēng)機(jī)改造后的效益分析

皮帶傳送的原料有：焦炭、燒結(jié)礦、氧化球、密球、密礦等，每種原料在下料時(shí)，產(chǎn)生不同的粉塵。根據(jù)需要，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到除塵且節(jié)能的效果。實(shí)際上，采用變頻調(diào)速改造后，由于對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)，所以對(duì)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、擋板、高壓開(kāi)關(guān)等各種設(shè)備以及電網(wǎng)的啟動(dòng)沖擊大大減少，減少了設(shè)備的維護(hù)，節(jié)省了這些設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，而且延長(zhǎng)了使用壽命，這種間接的經(jīng)濟(jì)效益是不可估量的。

首鋼皮帶廠整個(gè)除塵工程共有21個(gè)可操作閥門，只在工頻運(yùn)行時(shí)，為了調(diào)節(jié)風(fēng)量和工藝要求，須經(jīng)常調(diào)節(jié)閥門，現(xiàn)場(chǎng)值班人員和崗位司機(jī)的工作量很大；變頻改造后，所有閥門始終處在打開(kāi)狀態(tài)，需要調(diào)節(jié)時(shí)，只要調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率即可，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)值班人員的工作量，提高了工作效率，另外，變頻器高精度寬范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速功能，不僅全面滿足了電網(wǎng)峰荷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的需要，而且變頻器屬于高度智能化的新型高科技設(shè)備，提高了生產(chǎn)效率大大改善了工廠的工作和生產(chǎn)環(huán)境。

總之，HARSVERT-A變頻器在首鋼皮帶廠除塵風(fēng)機(jī)工程的調(diào)速改造中應(yīng)用是相當(dāng)成功的。該系列變頻器的先進(jìn)性、可靠性已得到許多工業(yè)應(yīng)用的證實(shí)。在各行各業(yè)，對(duì)于許多高壓大功率的輔機(jī)設(shè)備推廣和采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，不僅可以取得相當(dāng)顯著的節(jié)能效果，而且也得到國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的支持。

工廠降溫
豬場(chǎng)負(fù)壓風(fēng)機(jī)
負(fù)壓風(fēng)機(jī)廠家

鋒速達(dá)是水簾生產(chǎn)廠家|環(huán)�？照{(diào)生產(chǎn)廠家|屋頂風(fēng)機(jī)廠家|，鋒速達(dá)承接規(guī)劃：豬場(chǎng)降溫|車間降溫|廠房降溫|豬場(chǎng)通風(fēng)|車間通風(fēng)|廠房通風(fēng)|屋頂排風(fēng)機(jī)|屋頂排熱|廠房通風(fēng)降溫|車間通風(fēng)降溫|通風(fēng)換氣排熱降溫工程|屋頂風(fēng)機(jī)安裝|負(fù)壓風(fēng)機(jī)安裝|水簾安裝|環(huán)�？照{(diào)安裝|通風(fēng)設(shè)備安裝|通風(fēng)降溫設(shè)備|通風(fēng)系統(tǒng)安裝案例|通風(fēng)降溫系統(tǒng)|屋頂通風(fēng)機(jī)|屋頂排風(fēng)系統(tǒng)
相關(guān)的主題文章:

• http://www.resound247.com/ask/fjaz/5598.html