摘要：应用有限元方法对丢失的失效风机叶片撞击风筒的非线性瞬态响应进行了数值计算研究，模拟了叶片撞击风筒的过程，分析了撞击过程中叶片、风筒的变形、应力与能量变化。结果表明：有限元方法能较好地模拟风机叶片丢失后撞击风筒的过程，该型风机风筒对叶片具有包容性。

关键词：轴流式通风机　风筒 叶片 撞击　瞬态响应

中图分类号：Ｖ232.4　　文献标识码：Ａ

文章编号: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

　　在风机的使用过程中经常出现叶片由于自身材料和加工缺陷、外物损伤、疲劳、振动以及恶劣的工作环境等因素造成的叶片断裂。断裂的叶片以很高的速度飞出会打伤其它叶片，甚至造成整级叶片全部损坏，而飞出的断片以较高的速度撞击风机风筒，同样会造成严重的损伤，甚至击穿风筒，从而可能损坏地面其他设备和威胁工作人员的生命安全，造成灾难性的后果[1～7]。因此，必须得采取预防性的措施来包容所有具有潜在危险情况的高能量叶片。
　　另外，合理设计风机风筒，使其在保证风筒包容性的前提下耗材最小、重量最轻，即进行最优风筒设计有着重要意义。本文的目的在于在风机设计阶段实现较准确的风机叶片撞击损伤模拟，为新型风机的研制，以及在役风机的改进、排除故障提供设计技术。

2　三维非线性有限元方程

　　对非对称的三维问题，只有采用三维应力波的描述方法才能较真实地模拟高速碰撞过程中应力波的传播[8]。对两个高速碰撞接触物体组成的体系，根据连续介质力学原理，该过程必须得保持能量守恒、动量守恒和质量守恒。采用Lagrange描述法，根据虚功原理，高速碰撞系统中的控制方程为

　　式（1）中各项分别表示单位时间内体系的惯性力、内力和外力的虚功。将式（1）有限元离散化，得到离散方程为

3　本构关系的描述

　　对被冲击的叶片材料，可采用塑性随动硬化本构模型[9]。它适用于塑性破坏和高应变率材料的碰撞损伤问题，考虑了材料的应变率，并带有破坏断裂模型。该模型的动态屈服应力为

4　 计算分析

　　采用大型非线性有限元程序LS-DYNA作为主要分析工具，对叶片撞击风机风筒问题进行了数值计算与分析，计算结果较好地模拟了叶片撞击风筒的过程。为了简化问题，假设只有单个叶片撞击风筒，不考虑其它叶片的影响。施加在飞断叶片上的速度为折合速度。

4.1　计算模型与说明

　　风机风筒内径为0.908m，厚度为0.004m，进气方向长0.3m。叶片长0.330m，厚度0.003m。风筒共分32000个单元，主要撞击区域进行网格细化，采用实体3D Solid 164以sweep方式划分有限元模型，模型风筒的一端端面约束。叶片分为350个单元，采用实体3D Solid 164以map方式划分有限元模型，通过对不同高度叶片节点的速度施加实现整个叶片速度的分布。叶片转速为1500r/min，顺时针方向转动，叶片速度分布见图3，其中ω为叶片角速度，r为对应叶片上不同高度处的旋转半径，v(r)为对应叶片旋转半径 r 处的切向速度。材料取典型的塑性随动硬化模型，材料属性见表1。

　　采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA提供的接触冲击算法进行叶片撞击风筒的数值计算，定义不同部件间的接触来实现接触力和能量的传递。采用点对面Erode Nodes-Surface的接触方式定义叶片与风筒的接触，其中风筒为目标体，叶片为接触体，从而实现叶片撞击风筒的模拟；定义叶片自身的面接触来实现叶片自身的卷曲接触模拟，其中目标体和接触体均为叶片。风筒材料失效的有效塑性应变设置为0.3[10]，如果超过这个值，那么就认为单元失效并被删除.如果沿着某一方向风筒的一排单元失效,那么就表示对叶片的包容失败。叶片包容性问题的数值计算研究在国内尚属首次，为了简化问题，假设撞击过程无阻尼、无摩擦。
 

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