文|浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 張克鵬

針對某軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成，利用前處理軟件HyperMesh對整個風(fēng)機(jī)總成進(jìn)行網(wǎng)格劃分，之后利用HyperWorks仿真平臺的有限元求解器OptiStruct對該風(fēng)機(jī)總成進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在離心力和沖擊載荷作用下，風(fēng)機(jī)總成的各個部件都沒有超過材料屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計要求。

一、概述

軌道交通是城市交通系統(tǒng)的主要組成部分，不但承載輸送乘客職能，而且要在高低溫環(huán)境下保證客艙內(nèi)舒適性，空調(diào)系統(tǒng)需要發(fā)揮重大作用。地鐵空調(diào)系統(tǒng)主要由空調(diào)機(jī)組、風(fēng)道、送風(fēng)格柵及控制裝置等組成。其中空調(diào)機(jī)組不但要調(diào)節(jié)空氣的溫度和濕度，提供舒適環(huán)境，而且要保證高可靠性。而其中空調(diào)機(jī)組內(nèi)風(fēng)機(jī)的可靠性直接決定了整個空調(diào)機(jī)組的正常運行。因為在空調(diào)運行過程中，空調(diào)風(fēng)機(jī)長期處于運行狀態(tài)，加上其轉(zhuǎn)速高，車輛運行過程中還有慣性加速度的沖擊，因此在整個軌道交通空調(diào)系統(tǒng)中，屬于易發(fā)生故障總成，因此有必要在設(shè)計時進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的分析研究和驗證。

文中利用HyperMesh建立某軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成的有限元模型，利用HyperWorks仿真平臺有限元求解器OptiStruct對風(fēng)機(jī)總成在設(shè)計工況下進(jìn)行強(qiáng)度分析，根據(jù)分析結(jié)果，判定設(shè)計方案的可靠性和合理性。

二、空調(diào)風(fēng)機(jī)總成的有限元模型建立

1、三維模型建立

利用三維設(shè)計軟件SolidWorks進(jìn)行某軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)三維總成的幾何實體建模，如圖1所示。HyperMesh可以提供各種主流三維模型的導(dǎo)入接口，由于是裝配件總成，為了防止模型幾何數(shù)據(jù)的丟失，模型按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）所屬技術(shù)委員會制訂的國際統(tǒng)一CAD數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)出為STEP格式。

圖1 某軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成三維模型

2、網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)

在將STEP格式的三維CAD模型通過HyperMesh的import導(dǎo)入功能加載到軟件界面之前，選擇求解器模塊為OptiStruct，后面所有的操作都將以HyperWorks的OptiStruct求解器為模板。薄壁板件將采用殼單元劃分，鍛造和鑄件一般采用體單元進(jìn)行處理，為了更好地適應(yīng)復(fù)雜幾何，提高單元質(zhì)量，面網(wǎng)格一般采用三角形和四邊形混合方式，體網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格和金字塔網(wǎng)格Pyramid5，螺栓連接采用Rbe2+Beam方式進(jìn)行連接。根據(jù)模型尺寸及最小特征尺寸，單元尺寸總體定義為：平均尺寸10mm，不容許單元尺寸低于2mm或高于20mm，單元長寬比不得大于5，單元質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。對風(fēng)機(jī)總成進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，之后對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，包括最大最小角、雅克比，網(wǎng)格疊加性，連續(xù)性等，并對不合格網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最終該軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成的有限元模型共有節(jié)點數(shù)72 567，單元數(shù)55 171，有限元模型如圖3所示，局部放大圖如圖4所示。

圖2 有限元單元質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

圖3 軌道交通風(fēng)機(jī)部總成有限元模型

圖4 軌道交通風(fēng)機(jī)總成局總成有限元模型有限元模型

3、屬性設(shè)定

對風(fēng)機(jī)總成模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，建立單元屬性，根據(jù)單元類型建立殼單元及體單元屬性，殼單元需要定義其厚度，之后對其各個部件進(jìn)行材料屬性的建立和設(shè)置。HyperMesh中有強(qiáng)大的材料屬性卡片，可以建立各種線性、非線性、各向同性和各向異性等材料。風(fēng)機(jī)總成各部件的材料均為304不銹鋼，本文主要針對風(fēng)機(jī)總成的強(qiáng)度計算，因此采用線性材料，計算中用到的材料屬性如表1所示。

表1 軌道交通風(fēng)機(jī)總成材料屬性

4、約束及載荷

約束：葉輪與輪轂的螺栓連接之間定義接觸以模擬實際情況，螺栓建立三維實體網(wǎng)格，其他部位螺栓連接采用rigid+beam，葉輪與輪轂螺栓連接放大圖如圖5所示；風(fēng)機(jī)總成框架安裝孔進(jìn)行固定約束，約束其安裝孔的6個自由度，固定約束如圖6所示。

圖5 葉輪與輪轂螺栓連接及接觸

圖6 軌道交通風(fēng)機(jī)總成有限元約束邊界

工況載荷：工況為空調(diào)風(fēng)機(jī)正常工作下的額定工況，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為25rps，會對葉輪和輪轂產(chǎn)生離心力，利用RFORCE卡片進(jìn)行離心力加載；考慮到軌道交通行駛過程中的轉(zhuǎn)彎及顛簸情況，轉(zhuǎn)彎+顛簸沖擊過程有加速度沖擊，施加沖擊加速度為X5 g，Y1 g，Z3 g。

三、分析結(jié)果

本文利用HyperWorks仿真平臺的OptiStruct求解器對該軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成進(jìn)行求解。OptiStruct是Altair公司一款功能非常強(qiáng)大的通用結(jié)構(gòu)分析求解器。廣泛應(yīng)用于線性和非線性結(jié)構(gòu)分析，適用于多個學(xué)科，包括靜力學(xué)和動力學(xué)、振動、聲學(xué)、疲勞和多物理場。同時OptiStruct與HyperMesh可以實現(xiàn)無縫銜接，載荷和約束設(shè)置完畢后，在HyperMesh中建立Load Step工況后，就可以提交計算。計算結(jié)果在后處理軟件HyperView中進(jìn)行查看。圖7～11分別為風(fēng)機(jī)總成靜態(tài)強(qiáng)度應(yīng)力云圖及各個部件的應(yīng)力云圖。

圖7 軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

圖8 軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)框架應(yīng)力云圖(應(yīng)力/MPa）

圖9 軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)電機(jī)支架應(yīng)力云圖(應(yīng)力/MPa）

圖10 軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)葉輪應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

圖11 軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)輪轂應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

從計算分析結(jié)果來看，軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成的最大應(yīng)力為198MPa，出現(xiàn)空調(diào)風(fēng)機(jī)框架上，為框架與電機(jī)支架的螺栓連接處；電機(jī)支架的最大應(yīng)力為122.1MPa，出現(xiàn)在支架折彎處；風(fēng)機(jī)葉輪的最大應(yīng)力為142.1MPa，出現(xiàn)在每個葉輪的根部；風(fēng)機(jī)輪轂的最大應(yīng)力為26.53MPa，出現(xiàn)在輪轂與葉輪的螺栓連接處。所有部件的最大應(yīng)力均為超過材料的屈服強(qiáng)度205MPa，滿足設(shè)計要求。

四、結(jié)語

本文以某軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成為研究對象，運用SolidWorks建立了幾何模型，利用HyperMesh建立了有限元模型，考慮風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動離心力和沖擊加速度載荷，用OptiStruct求解器進(jìn)行了靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。分析表明，各部件最大應(yīng)力均未超過材料屈服強(qiáng)度。