钟家勤，李尚平，麻芳兰，何永玲，潘宇晨，孙 腾，李 政

(1.钦州学院 机械与船舶海洋工程学院， 广西 钦州 535000；2.广西民族大学 化学化工学院，南宁 530006；3.广西大学 机械工程学院，南宁 530004)



基于流固耦合的除杂风机应力应变及模态研究

钟家勤1，李尚平2，麻芳兰3，何永玲1，潘宇晨1，孙 腾1，李 政3

(1.钦州学院 机械与船舶海洋工程学院， 广西 钦州 535000；2.广西民族大学 化学化工学院，南宁 530006；3.广西大学 机械工程学院，南宁 530004)

叶轮是除杂风机的重要部件之一，叶轮在运行中的应力应变对除杂风机的安全运行有着重要的影响，而叶轮振动是风机的常见故障，所以流固耦合条件下的除杂风机叶轮变形及振动分析对甘蔗收获机除杂风机的安全有着重要的意义。为此，采用有限元分析软件Ansys Workbench对除杂风机叶轮进行了单向流固耦合计算分析，结果表明：叶轮在流固耦合作用下会发生弯曲扭振变形，最大应力分布在叶片与轮毂的交界处，最大应变分布在叶片外缘处；所设计的叶轮最大应力为21.48MPa，小于材料极限应力，而工作转速也远离振动转速，均满足工作要求。该研究为甘蔗收获机的除杂风机设计提供了参考。

甘蔗收获机；除杂风机；流固耦合；应力应变；模态分析

0 引言

广西甘蔗种植面积大，已占到我国糖料总面积的65%左右[1-2]，如果还是依靠人工收获清除杂质，就会消耗大量的人力、时间与生产成本，这是糖厂所不能接受的。研制出合理、有效的除杂装置，解决甘蔗收获杂质多的问题，对于实现甘蔗收获全程机械化、提高生产效率、降低生产成本具有实际意义。

甘蔗收获机的除杂主要使用轴流式风机进行[3-5]。除杂装置位于整机的后方，具有单独的物流通道，气体在轴向方向上被旋转风机叶片压缩排出，杂质被气流吸入通道排出。文献[5-7]指出，使用这种除杂装置的甘蔗收获机收获的甘蔗夹杂物依然较多。针对此问题，文献[8]设计了一种新型风机，并且对风机进行了试验研究，以排杂风机出风口速度为指标，找到了风机的最佳性能参数。文献[9]设计了一种切段式甘蔗联合收割机，该机排杂装置比较有效地解决了甘蔗除杂问题。这些研究从一定程度上为甘蔗收获机的除杂装置机械设计奠定了基础。

甘蔗收获机除杂装置中，叶轮是除杂风机的重要部件之一。为此，采用有限元分析软件对除杂风机叶轮进行单向流固耦合分析，得到了除杂风机内部的流动规律，并对叶轮在流固耦合作用下的应力、应变及振动模态特性进行分析，为甘蔗收获机的机械设计提供理论基础。

1 风机结构与工作原理

基于以上问题，设计了一种侧面鼓风式除杂风机，如图1所示。

1.切梢器 2.扶分蔗辊 3.压蔗辊 4.辅助喂入辊 5.切割器 6.夹持输送装置 7.除杂风机 8.输出装置 9.剥叶断尾机构图1 收割机简图Fig.1 Structure of the sugarcane harvester

除杂风机安装在整秆式甘蔗收获机物流通道的后方。收获机工作时，甘蔗由扶分蔗辊扶起，切梢器切割甘蔗末梢，经过压蔗辊把甘蔗压倒一定角度，切割器在辅助喂入辊的帮助下，切割甘蔗；夹持输送装置将切割好的甘蔗送入剥叶断尾机构，进行蔗杆与蔗叶的分离工作，由输出装置把甘蔗送出；除杂风机通过侧面吹风，将甘蔗与杂质分离干净。侧面鼓风式除杂风机相对于目前的抽风式除杂方式来说，具有克服阻力小、功耗小的优点，能够有效解决甘蔗与杂质分离不彻底的问题。

2 除杂风机数值计算

2.1 除杂风机结构参数

根据文献[10],本文的研究对象是甘蔗收获机的除杂风机，其设计参数为：流量Q=15 012m3/h，全压P=280Pa，转速n=1 450r/min，叶轮直径为0.63m，叶片数为3片。根据文献[11]，叶片的叶型是决定除杂风机性能的关键，因而选用CLARK-y叶型。

设计的除杂风机叶轮材料为Q235，其性能参数如表1所示。

表1 叶轮材料物理性能参数

2.2 型的建立

根据上节的结构参数利用三维软件SolidWorks建立除杂风机的三维模型，如图2所示。

图2 三维模型Fig.2 Dimensional Model

2.3 内部流场数值计算

叶轮周围的流体是影响整个流场的重要因素，同时除杂风机在实际工作时还有入口和出口，因此除杂风机的流场计算域为入口区域、叶轮旋转区域及出口区域。采用Meshing对叶轮与流体域进行网格划分，由于叶片形状复杂，为了提高计算精度，采用非结构四面体网格。划分的节点数为207 949，划分的网格数量为133 789，如图3(a)所示。除杂风机的内部流道较为复杂，旋转流域由叶轮表面及旋转流域组成，采用非结构网格划分；入口区域与出口区域形状较规则，采用结构网格划分，得到节点数目为319 262，网格数目为1 756 930，如图3(b)所示。

采用流体计算软件CFX对除杂风机内部流场进行数值计算，采用速度进口边界条件，湍流强度为5%，速度为10.7m/s；出口采用压力出口边界条件；在入口区域、旋转区域及出口区域三者之间交界面，采用冻结转子法处理，均采用动静交界面；出入口区域壁面采用固壁条件，叶轮、旋转区域壁面采用转动条件，壁面速度满足无滑移条件[12]。除杂风机的流体运动属于低速运动，可以忽略流体的可压缩性，选择air at 25℃材料模型。采用RNG k-ε模型，流体控制方程包括动量方程、连续方程以及k方程和ε方程。RNG k-ε模型为

Gk+Gb-ρε-Ym+SK

(1)

(2)

其中，k、ε分别为湍动能和湍流耗散率；Gk为由层流速度梯度产生的湍流动能；Gb为浮力产生的湍流动能；Ym为可压缩湍流种，过度扩散产生的波动；C1、C2、C3为常量；∂k和∂e是K方程和e方程的湍流Prandle数；Sk和Se由用户定义。

求解方法采用SINMPLE算法，求解控制采用分离式求解器，差分格式选择高阶格式，收敛标准设置为1×10-4，迭代次数为1 000次。

图3 网格划分Fig.3 Meshing results

2.4 单向耦合过程

除杂风机叶轮的固体结构变形小，对流体的影响可以忽略不计，只将CFD分析计算结果传递给固体结构分析，而没有固体结构分析结果传递给流体分析过程。因此，采用单向耦合方法可以很好地分析流体分析对固体分析的影响。在前面的除杂风机流场数值模拟中，已得出了流体对叶轮表面的压力大小以及分布情况。采用ANSYS Workbench中的多物理场耦合功能，建立流场和静力场的耦合系统，并通过数据传输将流场压力传输到叶轮表面。在静力场中，只需要将相应表面的流场压力加载到实体模型相应表面，将叶轮的轮毂表面及叶片的正面与背面的压力传输到叶轮表面。整个耦合计算在ANSYS Workbench中的Static Strural模块下进行。整体有限元方程为

Mδ+Cδ+Kδ=Qc+P+R-Fδ

(3)

其中，M为结构质量矩阵；C为结构阻尼矩阵；K为结构刚度矩阵；Qc为结构在初始状态下的离心力载荷向量；P为结构表面上的等效节点载荷向量；R为节点集中力向；Fδ为结构除应力引起的等效节点载荷向量。

2.5 模态分析

叶轮是除杂风机的关键部件，在振动作用下容易发生破损或者断裂，因此对其进行振动分析有着重要的意义。

模态分析主要用来分析结构的振动属性，叶轮的固有频率和模态振型是其固有特性，与结构的质量和刚度的分布有关。根据文献[13-14]对叶轮进行模态分析，得到固有频率以及振型。

3 结果与分析

3.1 内部流场分析

在数值计算结束后，使用CFD-Post后处理器，得到除杂风机的内部流动状态，为后续的应力应变及模态分析提供数据。图4和图5分别是除杂风机吸力面和压力面的静压分布。

图4 吸力面静压分布Fig.4 Suction surface static pressure distribution

图5 压力面静压分布Fig.5 Pressure surface static pressure distribution

综合分析可以得出：在叶尖边缘部分出现一段压力集中区，叶根部分的线速度较小、气流较弱，靠近叶根部分压力较小；叶轮压力面靠近出口处的轮缘出现一个明显的低压区，是实际工作中叶片最容易发生气动分离的位置，与工程实际情况相吻合；除杂风机叶轮吸力面压力大于相应位置的压力面的压力。

3.2 应力应变结果分析

除杂风机中的流体作用于叶轮，即为气动载荷，同时加载自身重力以及离心力，得到除杂风机的应力应变云图如图6、图7所示。

由图6可以得出：最大的应力为21.48MPa，并没有超过材料的极限应力，可知重力、离心力及气动载荷共同作用力对除杂风机的叶轮影响比较小。从整个应力、应变云图中可以看出：最大应力分布在叶片与轮毂的交界处，最大应变分布在叶片外缘处；共同力作用下的应力应变云图都呈现中心对称状态。

3.3 结果分析

根据前面的应力应变结果分析可知，流固耦合对结构强度有一定的影响。由于叶轮结构模态受到预应力的影响，因此有必要分析基于流固耦合的叶轮结构模态的变化情况，得到的叶轮模态前5阶振型结果如图8所示。

根据图8的振型图及计算结果，最终得到的模态分析结果如表2所示。

图6 应力云图Fig.6 Stress cloud

图7 应变云图Fig.7 Strain cloud

图8 叶轮前5阶振型Fig.8 Five front wheel vibration mode表2 除杂风机模态分析结果Table 2 Impurity removal fan modal analysis results

阶数频率/Hz临界转速/r·min-1振型描绘1465.1427908.4弯曲摆动2465.8727952.2弯曲摆动3466.3427980.4弯曲扭转41063.863828弯曲扭转51064.963894弯曲扭转

综合分析可以得出：将自身重力、离心力及气动载荷加载作用后，除杂风机各阶模态频率有了一定的提高；由于离心力及叶片受到气动载荷作用，使得风机叶轮刚度提高，从而影响其固有频率。叶轮各阶模态的临界转速为n=60f，得到各阶模态的临界转速如表2所示。通常情况下，1阶临界转速下振动最为激烈，叶轮1阶临界转速为27 908.4 r/min，而工作转速为1 450r/min，远比1阶临界转速的低，因此不会产生共振，所设计的风机能够满足工作要求。

4 结论

通过SolidWorks三维软件设计的三维模型，利用有限元分析软件Ansys Workbech对除杂风机叶轮进行单向流固耦合分析。通过Ansys CFX进行流场分析，得到除杂风机内部的流动规律，同时结合Static Strutural及Modal模块，得到叶轮在气固耦合作用下的应力分布、变形及振动模态等特性。结果表明：所设计的甘蔗收获机除杂风机满足要求，为后续的结构改进提供了一定的参考依据。

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Stress-strain and Model Analysis on Impurity Removal Fan Based on Fluid-structure Interaction

Zhong Jiaqin1,Li Shangping2, Ma Fanglan3, He Yongling1, Pan Yuchen1, Sun Teng1, Li Zheng3

(1.College of Mechanical and Marine Engineering, Qinzhou University, Qinzhou 535000, China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530006, China; 3.College of Mechanical Engineering, Nanning 530004, China)

The impeller is one of the important components of impurity removal fan. The stress-strain of the impeller has a significant impact on safe operation and the impeller vibration is common malfunctions. So the analysis of stress-strain and vibration of the impeller under fluid-structure interaction is of great significance for the security of impurity removal fan. Fluid-structure interaction computation analysis was carried out on the impurity removal fan using the finite element analysis software of Ansys Workbench. The results show that impeller deformation will occur on torsion direction under fluid-structure interaction. The maximum stress distribution in the blade and the hub of the junction, the maximum strain distribution at the outer edge of the blade, the impeller is designed for maximum stress 21.48MPa, less than the material limit stress, but also away from the operating speed vibration speed, meet the job requirements. The research results are useful for the impurity removal fan of sugarcane harvest design.

sugarcane harvester; impurity removal fan; fluid-structure interaction; stress-strain; model analysis

2016-05-11

国家自然科学基金项目(51465004)

钟家勤(1989-)，女，广西钦州人，硕士,(E-mail)zhongjiaqin2013@163.com 。

S 225.5+3

A

1003-188X(2017)06-0018-05