大型再制造離心式壓縮機(jī)葉輪建模與仿真分析

1、重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（）大型再制造離心式壓縮機(jī)葉輪建模與仿真分析學(xué)生：號(hào)：20083732學(xué)指導(dǎo)教師：教授專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化重慶大學(xué)機(jī)械二 O 一三年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityThe Ming andysis of LargeRemanufacturing Centrifugal CompressorImpellerUndergraduate： Yi YunyuanSupervisor： Prof. Cao HuajunMajor： Mechanical Design & Manufacturing &

2、AutomationCollege of Mechanical Engineering Chongqing UniversityJune 2013摘要離心式壓縮機(jī)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、航天、生物等部門，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有非常重要的影響。隨著時(shí)代的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)離心壓縮機(jī)實(shí)行再制造已勢(shì)在必行，它回收廢舊機(jī)床產(chǎn)品，恢復(fù)具有高附加值的產(chǎn)品，在能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)方面有優(yōu)勢(shì)。離心式壓縮機(jī)作為從在提高流體壓力的時(shí)候，多數(shù)需要耗費(fèi)比較多的能源，特別是大型的工程系列，例如近年來的萬噸氯氣壓縮化工工程，對(duì)于較多消耗的大流量壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、研發(fā)都能明顯影響到企業(yè)的效益，也影響到國(guó)家倡導(dǎo)的綠

3、色環(huán)保節(jié)能理念。本文針對(duì)大型離心壓縮機(jī)葉輪動(dòng)力比較大和無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究等特點(diǎn)，結(jié)合某型號(hào)離心式壓縮機(jī)葉輪，進(jìn)行建模與仿真分析，使課題更加實(shí)用，本文的主要內(nèi)容如下：首先，論述了課題的研究目的、意義，并對(duì)國(guó)內(nèi)外再制造產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、國(guó)及葉輪的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析?？s機(jī)其次，在了解離心式壓縮機(jī)的工作原理的基礎(chǔ)上，掌握葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、用途和制造工藝，分析再制造葉輪的修復(fù)方法。再次，利用 CAD 三維建模技術(shù)，結(jié)合具體型號(hào)離心式壓縮機(jī)，進(jìn)行葉輪失效分析，并建立離心式壓縮機(jī)新品葉輪模型及離心式壓縮機(jī)葉輪再制造模型。最后，通過 ANSYS建立再制造離心式壓縮機(jī)葉輪的有限元模型，分析典型載荷下的葉輪服役。：再制造，

4、離心式壓縮機(jī)，葉輪，建模，仿真分析ABSTRACTCentrifugal compressor is widely usedechanical, biological, chemical and aerospacedepartment. It plays a very important role in develonational economy. Along with theprogress and the development of the society, In order to achieve sustainable development, to carry on centrif

5、ugal compressor remanufacture has been imperative. It recycle used product, restore the products with high value- added, has absolute advantage in energy saving andenvironment protection.As a motivation in improving fluid prere, centrifugal compressor requires muchenergy. In large projects, for exle

6、, compressing ten thousand of chlorine gas project inrecent years. It is important to research and develop compressor of big flow and largeergreenconsuming, which can increase the entenvironmental protection and energy saving.rise economic benefit and achieve, the article discusses the topic researc

7、h pure, significance, and thenysespresent research situation on remanufacturing industry and the research situation of Centrifugal compressor impeller of domestic and foreign.Second, understand the operation principle of the centrifugal compressor, then master theimpeller structure features, applica

8、tion and manufacture promanufacture repair methods.s,ysis and impellerThen, with the use of 3d ming technology of CAD, on the basis of specific type ofcentrifugal compressor, make failureysis of impeller, and establish the product msand remanufacturing m.Last, uses ANSYS to make the typical load ser

9、vice life.ysis on the remanufacturingmKey words：remanufacture,centrifugal compressor, impeller, ming, simulationysis目錄摘要IABSTRACTII1緒論11.11.2研究目的、意義1相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀21.2.1 國(guó)內(nèi)外再制造產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀21.2.2 國(guó)縮機(jī)及葉輪研究現(xiàn)狀31.31.4的主要研究?jī)?nèi)容5本章小結(jié)62離心式壓縮機(jī)葉輪72.1離心式壓縮機(jī)的工作原理，葉輪的用途及制造工藝7離心式壓縮機(jī)的工作原理7葉輪的用途及其制造工藝8再制造葉輪的工藝修復(fù)方法10葉輪特征分析132.

10、3.1 葉輪的疲勞失效分析132.22.32.3.2 葉輪的疲勞分析142.3 本章小結(jié)15葉輪建模1633.1CAD 三維建模技術(shù)及 Pro/E簡(jiǎn)介163.1.1 CAD 三維建模技術(shù)簡(jiǎn)介163.1.2 Pro/E簡(jiǎn)介163.23.3葉輪三維建模17本章小結(jié)184再制造葉輪的有限元分析19有限元分析方法簡(jiǎn)介19有限元分析方法194.1.2 ANSYS簡(jiǎn)介194.2 再制造葉輪有限元模型建立204.2.1 ICEMCFD簡(jiǎn)介204.2.2 葉輪的建模與網(wǎng)格劃分21再制造葉輪有限元分析22再制造葉輪離心力分析22再制造葉輪模態(tài)分析24本章小結(jié)25結(jié)論265參考文獻(xiàn)27致謝281緒論1.1 研究目

11、的、意義21 世紀(jì)，世界經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，自然資源的 的資源浪費(fèi)和短缺、全球的生態(tài)破壞、環(huán)境污染等開采和環(huán)境的無償使用造成了嚴(yán)重問題。國(guó)家的發(fā)展離不開制造業(yè)，一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的水平是這個(gè)國(guó)家是否發(fā)達(dá)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。在全球化的發(fā)展中，制造業(yè)迅速發(fā)展，消費(fèi)品得到大量普及，產(chǎn)品的周期大大縮短，廢棄產(chǎn)品的數(shù)量急劇上升，因此如何處理這些廢棄品并對(duì)環(huán)境無污染就是現(xiàn)在的問題。其中，機(jī)電產(chǎn)品制造業(yè)的資源使用量最大，同時(shí)環(huán)境污染也很嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，造成全球環(huán)境污染的排造業(yè)，它們每年約產(chǎn)生 7 億噸有害廢物和 55 億噸無害廢物1。有放物 70%以上來資料顯示，全球每年有 2600 萬輛汽車報(bào)廢，我國(guó) 2007 年達(dá)到報(bào)

12、廢標(biāo)準(zhǔn)的汽車也有 300萬輛左右，同時(shí)在未來幾年，我國(guó)機(jī)床、工程機(jī)械、家電等機(jī)電產(chǎn)品將進(jìn)入高速淘汰階段。到 2020 年，我國(guó)絕大多數(shù)高速和可持續(xù)性發(fā)展2。為了應(yīng)對(duì)所問題將進(jìn)一步加重，這將嚴(yán)重制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)的，國(guó)家提出了再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的計(jì)劃，我國(guó)總結(jié)世界發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)的再制造經(jīng)驗(yàn)，提出了具有的 4R 體系（減量化Reduce、再利用 Reuse、再循環(huán) Recycle、再制造 Remanufacture），成為我國(guó)目前可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐3。再制造是一種對(duì)廢舊產(chǎn)品實(shí)施高技術(shù)修復(fù)和改造的行業(yè)，它針對(duì)的是損壞或即將報(bào)廢的零，在性能失效分析、評(píng)估等分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行再制造工程設(shè)計(jì)，采用一系列相關(guān)的先

13、進(jìn)制造技術(shù)，使再制造產(chǎn)品達(dá)到或超過新品。早期，由于離心式壓縮機(jī)只適于低，中壓力、大流量的場(chǎng)合，而不為人們所注意。但近來，由于化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，各種大型化工廠，煉油廠的建立，離心式壓縮機(jī)就成為壓縮和輸送化工生產(chǎn)中各種氣體的關(guān)鍵機(jī)器，而占有極其重要的地位。因此，離心壓縮機(jī)作為制造行業(yè)發(fā)展的重要領(lǐng)域受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著重要作用。并且隨著原材料路線的改變和機(jī)械設(shè)備研制工作的發(fā)展，各種工廠逐漸向大型化發(fā)展，所用到的離心式壓縮機(jī)也向大型化的發(fā)展。離心式壓縮機(jī)用于壓縮氣體的主要是高速旋轉(zhuǎn)的葉輪和通流面積逐漸增加的擴(kuò)壓器。簡(jiǎn)而言之，離心式壓縮機(jī)的工作原理是通過葉輪對(duì)氣體作功，在葉輪和擴(kuò)壓器的流

14、道內(nèi)，利用離心升壓作用和降速擴(kuò)壓作用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體的壓力能5。由此再制造產(chǎn)業(yè)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，是國(guó)家發(fā)展可持續(xù)經(jīng)濟(jì)的必要途徑。再制造產(chǎn)品在同于甚至優(yōu)于新產(chǎn)品的質(zhì)量和性能基礎(chǔ)上，可節(jié)能 60%，節(jié)材 70%，節(jié)約成本 50%，大氣污染物排放量降低 80%以上4。發(fā)展再制造，不僅對(duì)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境意義，更是推動(dòng)制造業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè)升級(jí)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的重要著力點(diǎn)?？芍~輪是離心式壓縮機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的命等有重要的影響。，它的各項(xiàng)性能對(duì)壓縮機(jī)的可靠性和壽然而在離心式壓縮機(jī)的運(yùn)行過程中存在一些問題，例如能夠正常運(yùn)行的工作環(huán)境區(qū)域較窄，如果工況發(fā)生變化則加大對(duì)能源的耗費(fèi)，重則發(fā)生喘振。對(duì)于離心壓

15、縮機(jī)來說長(zhǎng)期的喘振能夠加大離心式壓縮機(jī)葉輪的損壞，對(duì)壓縮機(jī)造成很大的損壞，一般來說對(duì)于大型離心壓縮機(jī)都配備的有一定的防喘振安全系統(tǒng)6。隨著計(jì)算機(jī) 技術(shù)的日益先進(jìn)和電腦硬件運(yùn)算能力的進(jìn)一步提高，離心壓縮機(jī)安全保護(hù)和提前停車防止危害的技術(shù)越來越高，然而對(duì)于安全方面進(jìn)行控制和避免的同時(shí)又存在以下問題：首先是如果氣體壓力升高，流量減小的時(shí)候，智能控制程序首先是增加回流空氣的量，造成大量的能量都轉(zhuǎn)化為熱能而消耗。另外，控制系統(tǒng)往往根據(jù)壓縮機(jī)的工作狀況進(jìn)行控制調(diào)整，有效的進(jìn)行故障的快速排除7。所以為了盡快排除離心壓縮機(jī)的故障和節(jié)約并不對(duì)于離心壓縮機(jī)排除故障的時(shí)間和費(fèi)用，只有依靠電腦科技進(jìn)行復(fù)雜相互作用的建

16、模和仿真，從而模擬出接近真實(shí)的離心機(jī)的運(yùn)行狀況，從模型中找到離心機(jī)的各種運(yùn)行的參數(shù)和故障產(chǎn)生原因，實(shí)現(xiàn)最終的優(yōu)化改造。綜上所述，為了解決日益高漲的資源緊缺問題和實(shí)施可持續(xù)發(fā)展，熟悉離心式壓縮機(jī)葉輪的用途，對(duì)大型再制造離心式壓縮機(jī)葉輪的進(jìn)行三維建模，典型載荷下的有限元模型的仿真分析，分析它的受力情況，研究葉輪的疲勞可靠性設(shè)計(jì)，探討了其疲勞破壞的預(yù)報(bào)方法，是非常有必要的。因此，本課題將結(jié)合具體型號(hào)離心式壓縮機(jī)，進(jìn)行葉輪的建模和仿真分析。相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外再制造產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀國(guó)外再制造產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近 30 年的發(fā)展已日趨成熟，再制造的領(lǐng)域也非常廣泛，涉及汽車、工程機(jī)械、冶金裝備、航空航天及國(guó)防裝

17、備、鐵路裝備、計(jì)算機(jī)等。1996 年，美國(guó)已有再制造公司 7.3 萬家，年銷售額 530 億，企業(yè)員工 48 萬人8。2009 年，美國(guó)開始著手解決再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的次問題，如再制造產(chǎn)品的與關(guān)稅、再制造的代碼及科目、采購方案中對(duì)再制造產(chǎn)品的優(yōu)先考慮、再制造的信息化等9。Cummins）發(fā)再制造公司是汽車零行業(yè)中規(guī)模最大的再制造企業(yè)，其再制造發(fā)承諾達(dá)到新品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并與新品一樣享受，在已被廣泛接受。每年再制造的零件材料超過 5000 萬磅（約 2.27 萬噸），節(jié)省的能源與約 1 萬個(gè)家庭的年消耗能源相當(dāng)，可減少溫室氣體排放 2 億磅（約 9.07 萬噸）10。斯公司已在巴西、澳大利亞、中國(guó)建起

18、了再制造廠。最大的工程機(jī)械制造企業(yè)（Catillar）公司開展了工程機(jī)械再制造，并在包括中國(guó)在內(nèi)的 18 個(gè)國(guó)家和地區(qū)建立了再制造工廠，2009 年公司的再制造產(chǎn)值達(dá)到公司全部產(chǎn)值的 51%以上。歐洲再制造產(chǎn)業(yè)也很成熟。2000 年以來，英國(guó)派特（Listetter）再制造公司每年為英、美提供 3000 多臺(tái)再制造發(fā)；德國(guó)大眾（Volkswagen）汽車公司至 2004年已再制造汽車發(fā)機(jī)械領(lǐng)域，2008 年748，變速器 240 萬；的再制造規(guī)模已很可觀。僅工程就有超過 9的廢舊工程機(jī)械得到再制造，其中 58%在國(guó)內(nèi)使用，34%出口到國(guó)外，其余的 8%作為配件出售11。綜合而言，美、歐、日的再

19、制造產(chǎn)業(yè)從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)工藝、加工設(shè)備到廢舊產(chǎn)品回收、產(chǎn)品銷售和面已形成了一套較完整的產(chǎn)業(yè)體系。等方上世紀(jì) 90 年代，我國(guó)相繼出現(xiàn)了一些再制造企業(yè)，如中國(guó)重汽濟(jì)南復(fù)強(qiáng)再制造公司（中英合資）、大眾汽車再制造分廠(中德合資)、柏科（常熟）電機(jī)有限公司（港商獨(dú)資）、廣州花都自動(dòng)變速箱再制造公司（僑資）等，分別在重型卡車發(fā)動(dòng)機(jī)、轎車發(fā)、車用電機(jī)，以及車用變速箱等領(lǐng)域開展再制造12。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，國(guó)家對(duì)再制造越來越重視。2008 年，國(guó)家發(fā)改委組織了由 14 家重點(diǎn)企業(yè)參加的汽車零再制造產(chǎn)業(yè)試點(diǎn)，包括、東風(fēng)、上汽、重汽、奇瑞等整車制造企業(yè)和濰柴、玉柴等發(fā)制造企業(yè)；2009 年 11 月，國(guó)家工信

20、部啟動(dòng)了包括工程機(jī)械、采礦機(jī)械、機(jī)床、船舶、再制造產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)等在內(nèi)的 8 大領(lǐng)域 35 家企業(yè)參加的再制造試點(diǎn)工作，其中有徐工、柳工、中聯(lián)、三一重工、重慶機(jī)床等知名企業(yè)13。綜合而言，中國(guó)的再制造已初步構(gòu)建起體系，并且具有迅猛發(fā)展的勢(shì)頭，但體量較小，成熟度較低，基礎(chǔ)理論與技術(shù)基礎(chǔ)的支持相對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求滯后，目前我國(guó)再制造產(chǎn)業(yè)還需要培育較長(zhǎng)時(shí)間。1.2.2 國(guó)縮機(jī)及葉輪研究現(xiàn)狀大型壓縮機(jī)屬于高科技產(chǎn)品，是衡量一個(gè)國(guó)家裝備制造業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志性設(shè)備之一14。從 1900 年法國(guó)制造出世界第一臺(tái)離心壓縮機(jī)開始，在心壓縮機(jī)的生產(chǎn)熱潮。二十世紀(jì) 50 年代，為適應(yīng)化肥工業(yè)的高壓和歐洲出現(xiàn)了離工藝需要，離

21、心式壓縮機(jī)又獲得了飛躍發(fā)展。目前國(guó)際上能夠生產(chǎn)制造大型離心壓縮機(jī)組的主要廠商有：GE、西門子、三菱重工、沈陽鼓風(fēng)機(jī)等。目前世界上正在運(yùn)行的最大規(guī)模乙烯生產(chǎn)裝置是127 萬噸/年生產(chǎn)線，正在設(shè)計(jì)建設(shè)中單機(jī)系列規(guī)模最大是伊朗在Assaluyeh 地區(qū)建造的 140 萬噸/年乙烯裝置15。我國(guó)壓縮機(jī)行業(yè)起步較晚，解放前基本屬于空白。上世紀(jì) 60 年代，當(dāng)時(shí)的沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)出了我國(guó)第一臺(tái)小型單軸離心式壓縮機(jī)。70 年代，沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠引進(jìn)意大利一臺(tái)壓縮機(jī)之后，經(jīng)過研究和創(chuàng)新，使鼓風(fēng)機(jī)的發(fā)展達(dá)到了很高的水平。開放之后，特別是最近 5 年，我國(guó)重工業(yè)的迅速崛起和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為我國(guó)大型裝備制造業(yè)快速

22、成長(zhǎng)提供了有利條件和機(jī)遇，特別是能源、化工領(lǐng)域的“心臟設(shè)備”離心壓縮機(jī)制造業(yè)發(fā)展迅猛，我國(guó)己經(jīng)初步具備了與國(guó)外同類產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。但是也為大型裝備制造業(yè)提出了新的，不斷發(fā)現(xiàn)許多為目前我國(guó)離心壓縮科學(xué)問題，特別是葉輪的設(shè)計(jì)與評(píng)估技術(shù)急需得到解決。機(jī)行業(yè)龍頭企業(yè)、風(fēng)機(jī)行業(yè)排頭兵，特別是大型離心壓縮機(jī)、大型離心鼓風(fēng)機(jī)和大型離心通風(fēng)機(jī)等主導(dǎo)產(chǎn)品代表了我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展水平，在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)業(yè)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。目前主品大型離心式壓縮機(jī)，占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的 85%。從離心壓縮機(jī)的整個(gè)發(fā)展歷史來看，大型化是一個(gè)重要趨勢(shì)，但是大型化帶來了機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和可靠性評(píng)估等一系列問題，尤其是高速旋轉(zhuǎn)的葉輪的

23、壽命設(shè)計(jì)與分析問題更為突出，其問題成為制約大型離心式壓縮機(jī)葉輪可靠運(yùn)行的技術(shù)瓶頸。目前離心式壓縮機(jī)向著高轉(zhuǎn)速、高壓比、多級(jí)、大流量方向發(fā)展，安全、高效、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是現(xiàn)代大型壓縮機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)速高、功率大，離心壓縮機(jī)的制造精度、制造工藝和運(yùn)行管理的要求也越來越高。其設(shè)計(jì)和制造涉及到流體力學(xué)、固體力學(xué)、熱力學(xué)、現(xiàn)代節(jié)能理論、控制和摩擦學(xué)等諸多領(lǐng)域16-17，是集成各學(xué)科知識(shí)和現(xiàn)代技術(shù)的高科技系統(tǒng)。葉輪作為離心壓縮機(jī)的穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)是保證壓縮機(jī)正常工作的重要基礎(chǔ)。，其安全、大型離心式壓縮機(jī)及其葉輪再制造屬于再制造領(lǐng)域研究的新興課題和學(xué)術(shù)前沿領(lǐng)域。與機(jī)床、工程機(jī)械、汽車等產(chǎn)品再

24、制造零件相比，大型離心式壓縮機(jī)再制造葉輪結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、工況更為特殊，因此研究難度大大增加。2011 年以離心壓縮機(jī)再制造為核心對(duì)象的國(guó)家 973 基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“機(jī)械裝備再制造基礎(chǔ)科學(xué)問題研究”獲得批準(zhǔn)立項(xiàng)。聯(lián)合、兵、大連理工大學(xué)、山東大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、重慶大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)、沈陽鼓風(fēng)機(jī)、濟(jì)南復(fù)強(qiáng)動(dòng)力等相關(guān)院校及開展相關(guān)方面的研究。是國(guó)內(nèi)第一支專門從事大型離心壓縮機(jī)及葉輪再制造研究的國(guó)家級(jí)隊(duì)伍。目前關(guān)于大型離心壓縮機(jī)及葉輪再制造的研究仍然較少。國(guó)內(nèi)外對(duì)大型離心壓縮機(jī)及其葉和我國(guó)學(xué)者等18人全面輪的研究主要集中在新品葉輪上面。學(xué)者 Hanlo研究了離心壓縮機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及安裝方法等

25、內(nèi)容，為離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)與使用提供了參考依據(jù)；韓國(guó)學(xué)者 LabibM.N 等和學(xué)者 AbrahamEngeda 等19研究離等20-21研究了離心壓縮機(jī)葉輪幾何參數(shù)對(duì)葉輪性能的影響規(guī)律；波蘭學(xué)者 J.Nowacki心壓縮機(jī)葉輪的釬焊技術(shù)及不銹鋼焊接葉輪強(qiáng)度性能等問題；學(xué)者 S.Sivaprasad 等22-23采用斷口觀測(cè)、能譜分析、金相顯微等方式對(duì)離心壓縮機(jī)葉輪及斷口進(jìn)行失效分析，論證了交變載荷促進(jìn)材料缺陷擴(kuò)展造成離心壓縮機(jī)葉輪斷裂失效的結(jié)論。然而關(guān)于離心壓縮機(jī)再制造葉輪相關(guān)的研究卻未見文獻(xiàn)公開。本文通過離心壓縮機(jī)再制造葉輪服役載荷分析，研究再制造葉輪載分布情況，利用 ANSYS 等進(jìn)行服役

26、數(shù)值模擬。為企業(yè)增強(qiáng)整機(jī)運(yùn)行的可靠性與安全性，延長(zhǎng)工作其他葉輪機(jī)械的深入研究具有很好的借鑒意義。有著重要的意義，而且對(duì)綜觀國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，離心式壓縮機(jī)及其葉輪再制造研究是當(dāng)前研究的急需解決的熱點(diǎn)問題。但是現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外所做的研究較少，還不能很好的解決企業(yè)在生產(chǎn)實(shí)踐中遇到的技術(shù)問題，尤其是關(guān)于再制造葉輪方面更是一片空白。因此關(guān)于離心壓縮機(jī)再制造葉輪服役載荷分析及服役數(shù)值模擬成為本文重點(diǎn)關(guān)注。1.3的主要研究?jī)?nèi)容本課題所在擁有較好的科研基礎(chǔ)，擁有多種計(jì)算機(jī)軟、硬件及儀器設(shè)備，同時(shí)課題組從屬于國(guó)家 973 項(xiàng)目“機(jī)械裝備再制造的基礎(chǔ)科學(xué)問題”項(xiàng)目組，圍繞研究目標(biāo)，內(nèi)容如下：第一章，闡述了課題研究目

27、的及意義，介紹了再制造領(lǐng)域、再制造壓縮機(jī)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。第二章，分析了離心式壓縮機(jī)的工作原理，了解葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、用途及其常用的制造工藝。詳細(xì)分析再制造葉輪的工藝修復(fù)方法，為葉輪的再制造提供信息資料。第三章，針對(duì)某型號(hào)的離心式壓縮機(jī)葉輪進(jìn)行三維建模。簡(jiǎn)單介紹三維建模技術(shù)，了解所用的建模，根據(jù)第二章了解的葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，工藝修復(fù)特點(diǎn)，分析新品葉輪和再制造葉輪的特征，建立離心式壓縮機(jī)新品葉輪模型及離心式壓縮機(jī)葉輪再制造模型。第四章，離心式壓縮機(jī)葉輪的有限元分析。簡(jiǎn)單介紹有限元方法及所用的 ANSYS面完成的三維建?；A(chǔ)上，利用有限元對(duì)再制造模型進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，分析典型載荷下的葉輪服役。的內(nèi)容流程如下圖

28、所示：圖 1.1內(nèi)容流程圖1.4 本章小結(jié)本章概述了課題的研究目的和意義，相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及簡(jiǎn)單概括了本的主要內(nèi)容。2離心式壓縮機(jī)葉輪離心式壓縮機(jī)的工作原理，葉輪的用途及制造工藝離心式壓縮機(jī)的工作原理離心式壓縮機(jī)的工作原理是通過葉輪對(duì)氣體作功，在葉輪和擴(kuò)壓器的流道內(nèi)，利用離心升壓作用和降速擴(kuò)壓作用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能24。更通俗地說，氣體在流過離心式壓縮機(jī)的葉輪時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪使氣體在離心力的作用下，一方面壓力有所提高，另一方面速度也極大增加，即離心式壓縮機(jī)通過葉輪首先將原的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的靜壓能和動(dòng)能。此后，氣體在流經(jīng)擴(kuò)壓器的通道時(shí)，流道截面逐漸增大，前面的氣體分子流速

29、降低，后面的氣體分子不斷涌流向前，使氣體的絕大部分動(dòng)能又轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，也就是進(jìn)一步起到增壓的作用。1.彎道 2.回流器 3.渦室 4.密封 5.平衡盤 6.葉輪 7.擴(kuò)壓器 8.吸氣室圖 2.1 離心式壓縮機(jī)簡(jiǎn)圖圖 2.1 為離心式壓縮機(jī)的簡(jiǎn)圖。氣體由吸氣室吸入，通過葉輪對(duì)氣體做功，使氣體壓力、溫度、速度提高。然后流入擴(kuò)壓器，使速度降低，壓力提高。彎道和回流器主要起導(dǎo)向作用，使氣體流入下一級(jí)繼續(xù)壓縮。最后，由末級(jí)出來的高壓氣體經(jīng)渦室和出氣管輸出。2.1.2 葉輪的用途及其制造工藝用途：葉輪也稱為工作輪。它是壓縮機(jī)中最重要的一個(gè)。氣體在葉輪葉片的作用下，跟著葉輪作高速的旋轉(zhuǎn)。而氣體由于受旋轉(zhuǎn)離心

30、力的作用，以及在葉輪里的擴(kuò)壓，使氣體通過葉輪后壓力得到提高。此外，氣體的速度也同樣是在葉輪里得到了提高。因此，可以認(rèn)為葉輪是使氣體提高能量的唯一途徑。制造工藝：葉片一般用低合金鋼的熱軋鋼制造，如 2Cr13，20Cr 和 30 nSi 等25。對(duì)于材質(zhì)的要求是：（1）機(jī)械性能高，以便承受工作時(shí)離心力產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力；（2）在熱態(tài)下具有良好的塑形，以便模壓成型；（3）耐磨，以免在介質(zhì)中的硬質(zhì)微粒摩擦力下產(chǎn)生較大的磨損。有時(shí)還要有耐腐蝕要求。（4）材質(zhì)必須光滑、無裂痕、剝層、夾層及其它影響強(qiáng)度的缺陷。幾種葉輪制造工藝方案如下：1.葉輪鍛造工藝由于工藝上的要求鍛造的和輪蓋的余量是很大的。在選擇鋼錠的尺

31、寸時(shí)，首先要根據(jù)葉輪的鍛坯外形計(jì)算它的重量。計(jì)算時(shí)，應(yīng)以鍛坯的基本尺寸加上正公差，由于上、下殘料及鍛造火耗的影響，鋼錠的重量應(yīng)大得多。葉輪的鍛造工藝為：切割鋼錠鐓粗沖孔切出輪轂壓出輪面中間退火切出第二輪面修整到需要高度退火2.葉輪鑄造工藝葉輪是壓縮機(jī)的主要零件，壓縮機(jī)的性能與葉輪設(shè)計(jì)和制造的好壞密切相關(guān)。葉輪的葉片比較薄，其根部比較厚，而同一個(gè)葉片由于其部位不同，其厚薄相差較大，因此，從鑄造工藝上要保證澆注成型，不產(chǎn)生較嚴(yán)重的疏松、收縮、熱裂，這是鑄造工藝應(yīng)首先考慮的第一個(gè)特點(diǎn)。鑄造時(shí)鑄鐵的體收縮較大，葉輪鑄件的鑄造工藝主要是如何考慮防止裂紋和收縮缺陷。葉輪采用砂型鑄造方法，由于澆注溫度較高，

32、厚度不均的鑄壁連接處宜用合適的圓角過渡。按照順序凝固原則設(shè)計(jì)葉輪的澆注系統(tǒng)，采用側(cè)口澆注和補(bǔ)縮。葉輪的鑄造工藝如圖 2.2圖 2.2 葉輪的鑄造工藝圖鑄鐵葉輪的硬度高，不利于機(jī)械切削加工的進(jìn)行，葉輪進(jìn)行機(jī)加工前應(yīng)進(jìn)行退火軟化處理，退火后獲得的組織為粒狀珠光體基體及二次碳化物，具有較好的可加工性。機(jī)加工可在普通車進(jìn)行。為了獲得優(yōu)良的抗磨耐腐蝕組織與性能，機(jī)械加工后的葉輪還應(yīng)進(jìn)行淬火及回火處理，可有效消除葉輪零件的應(yīng)力并改善其韌性。3.葉輪焊接的工藝由于三元理論的應(yīng)用，促進(jìn)了離心壓縮機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，同時(shí)對(duì)葉輪制造工藝方法提出了更高的要求，焊接工藝使三元空間型葉片的葉輪制造得到順利地實(shí)現(xiàn)。目前，在

33、葉輪制造工藝中，焊接葉輪占主導(dǎo)地位。其中：(1)國(guó)內(nèi)應(yīng)大力開展特種焊在葉輪焊接中的應(yīng)用，如產(chǎn)品銷售市場(chǎng)的需要。焊、擴(kuò)散焊和激光焊，以適應(yīng)國(guó)內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)釬焊葉輪工藝的試驗(yàn)研究，使這種工藝方法發(fā)揮更大的作用，推動(dòng)焊接葉輪向高質(zhì)量、高精度方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)應(yīng)大力推廣新材料在葉輪制造中的應(yīng)用，比如低合金高強(qiáng)鋼 15Cr2Mol、低碳貝氏體鋼、HQ 系列等高強(qiáng)鋼，加強(qiáng)工藝試驗(yàn)研究，拓寬葉輪材料的應(yīng)用廣度，開拓風(fēng)機(jī)的應(yīng)用范圍。4.整體葉輪的特種加工工藝隨著新材料的采用、葉輪小型化以及葉輪構(gòu)造復(fù)雜化，特種加工有其獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)，越來越顯示出其優(yōu)越性。小間隙整體葉輪電解加工的精度很高，可以達(dá)到葉片型面精度 0.03

34、mm，位置精度高 0.05mm，表面粗糙度 Ra0.41um，加工速度每分種幾毫米至十多毫米(沿葉片縱向、即葉輪徑向送進(jìn))26。葉片采用逐個(gè)套料式加工，為保證加工時(shí)流場(chǎng)均勻，每相鄰葉片加工中留下一個(gè)“楔子”，直到加工完成后再將“楔子”除去。實(shí)踐表明，它是等截面葉片整體葉輪加工的最佳工藝方法。除電解套料加工外，還可以采用電火花加工等截面葉片整體葉輪。盡管其加工效率不如電解加工高，表面粗糙度也不如電解加工好，但，由于其工藝?yán)^承性，至今還采用這一工藝加工火箭上的渦輪轉(zhuǎn)子。其加工電極用石墨制造，以導(dǎo)電粘結(jié)劑粘結(jié)在銅制的電極桿上。加工過程是先粗加工通道，然后背分別用不極加工，葉片型面經(jīng)電火化加工后，還需

35、采用砂帶拋光。在電火花加工等截面葉片整體葉輪的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了一種新的電火花加工葉片整體葉輪的工藝技術(shù)。其加工過程是：先以石墨電極粗加工通道，然后更換型面電極依次加工運(yùn)動(dòng)很難加工背型面。但由于葉片型面彼此覆蓋，用成形電極作單方向送進(jìn)程度大的葉片型面。因此，要采用復(fù)合送進(jìn)方式，其加工過程是，先，用兩個(gè)紫鋼制的成形電極，從葉輪寬度兩側(cè)面同時(shí)加工送進(jìn)而實(shí)在現(xiàn)電火花機(jī)通道粗加工，然后再采用符合背型面的電極，在一臺(tái)由四個(gè)靠模控制而實(shí)現(xiàn)電極復(fù)雜成形運(yùn)動(dòng)的機(jī)，精加工葉片型面。型面加工又分半精和精加工兩步進(jìn)行，其中采用不同精度的工具電極。經(jīng)以上過程，還有某些部分。如局部，仍不能精確成形，因此還要用小塊電極補(bǔ)加工

36、。為達(dá)到較好的表面粗糙度，還采用成形陰極，固定式電解光整加工葉片型面。2.2 再制造葉輪的工藝修復(fù)方法零、的再制造主要是對(duì)其表面的損傷進(jìn)行修復(fù)。主要針對(duì)達(dá)到物理、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)而損傷、報(bào)廢的產(chǎn)品，在失效分析和評(píng)估的基礎(chǔ)上，把有剩余的損傷、報(bào)廢的零作為再制造毛坯，進(jìn)行修復(fù)加工，使其質(zhì)量和性能達(dá)到或超過新品。再制造技術(shù)除包括常用的機(jī)械制造技術(shù)、粘接技術(shù)外，還主要涉及各種先進(jìn)的表面處理技術(shù)。葉輪再制造流程如下圖所示：圖 3.2 葉輪再制造流程圖幾種再制造葉輪修復(fù)方法的描述如下：1.激光熔覆激光作為一種強(qiáng)力、非接觸、清潔的熱源進(jìn)人加工領(lǐng)域以來，解決了許多常規(guī)方法無法加工和很難加工，極大地提高了生產(chǎn)效率和加

37、工質(zhì)量，因而被稱為未來制造系統(tǒng)的加工。激光熔覆技術(shù)是指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，利用大功率激光束能量極高的特點(diǎn)，瞬問使合金粉與被加工件表面一同完全熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結(jié)合的致密覆層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電器特性等的工藝方法。修復(fù)葉輪是把葉輪用熱套的方式安裝到軸上的，葉輪熱套安裝不僅是為了傳遞扭矩的需要，同時(shí)也是避免在高速旋轉(zhuǎn)下松動(dòng)的要求。由于葉片通道太窄，焊接，就耍采用外部激光焊接的方法：在輪蓋(或)缺損部位和裂紋的地方，開一些與其形狀一致的淺槽。在淺槽中填滿焊接材料并使其熔化，這樣缺損部位和裂紋的地方接

38、觸面就熔合在一起從而修復(fù)葉輪。2.堆焊修復(fù)技術(shù)堆焊是采用焊接方法在零件表面堆敷一層具有特殊性能合金層的工藝過程。其目的在于使工件表面獲得具有耐熱、耐蝕、耐磨等特殊性能的熔敷金屬層，或恢復(fù)零件的尺寸。目前可用于葉片堆焊的主要有手工電弧堆焊、激光堆焊和粉末等離子堆焊。手工電弧焊手工電弧焊的設(shè)備簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、不受焊接位置及工件表面形狀的限制，適合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)；工藝靈活，不受位置限制，即可達(dá)性較好。手工電弧堆焊時(shí)焊條選擇和焊條直徑、堆焊電流及速度、零件的預(yù)熱溫度等，對(duì)焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率影響較大。在堆焊材料的選擇方面，對(duì)于一般金屬磨損件的表面強(qiáng)化與修復(fù)，應(yīng)遵循等硬度原則；對(duì)承受沖擊載荷的磨損表面，可綜合分

39、析以確定其堆焊材料?？紤]堆焊層材料與基體材料的相容性，可用于葉輪堆焊修復(fù)的材料主要有：雙相不銹鋼型、低碳馬氏體和奧氏體不銹鋼型。雙相不銹鋼具有優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕能力、良好的耐酸腐蝕性能和抗磨損腐蝕性能，具有較強(qiáng)的抗點(diǎn)蝕和縫隙隧洞式腐蝕的能力，但其耐熱性較低，存在中溫脆性區(qū)?？珊附有暂^好且熱裂傾向小，不需焊前預(yù)熱及焊后保溫處理。激光堆焊激光堆焊可以獲得高性能的合金堆焊層，如耐磨耐蝕性能、熱障性能、抗氧化性能、抗汽蝕和沖蝕磨損等。與其他堆焊方式相比有著明顯的優(yōu)點(diǎn)：可以準(zhǔn)確控制熱輸入量，工件加熱速度快且冷卻速度快(熱畸變小)，涂層厚度、成份以及稀釋率可控性好，組織致密，可以獲得性能優(yōu)越的堆焊層。激光加

40、工屬于無接觸加工，焊接工藝參數(shù)的確定，能夠保證焊接質(zhì)量，焊接可靠性高。激光堆焊層的材料成分決定其使用性能。按材料可分為：鐵基合金、鈷基和鎳基合金等。它們都具有低應(yīng)力抗磨粒磨損能力，良好的耐磨蝕、耐熱和抗高溫氧化性能等特點(diǎn)。鐵基不僅價(jià)格低廉、經(jīng)濟(jì)性好，而且通過調(diào)整成分、組織，能夠在較范圍內(nèi)改變涂層的強(qiáng)度、韌性、硬度、耐磨耐蝕和抗沖擊等性能，是應(yīng)用較多的堆焊合金。鎳基合金中最常見的是 NiCr-BSi 系和 Ni(3)等離子堆焊oW 系28。等離子堆焊利用焊槍鎢極作負(fù)極，工件基體作電流陽極并產(chǎn)生等離子弧作高溫?zé)嵩?，將熱能傳送給待焊接基體，并向該熱能區(qū)域送入焊接粉末材料，使得其熔化后沉積在待焊工件表

41、面的堆焊工藝。等離子堆焊最突出的優(yōu)點(diǎn)就是其熱影響區(qū)域較小，對(duì)基體的熱影響小，沖淡率低(小于 5)，使得基體熱變形?。黄浯?，等離子弧能夠被精確調(diào)節(jié)，工藝控制性好，堆焊厚度可達(dá) 2mm，能夠焊接較薄的工件；第三，等離子弧溫度高，能量密度大且能量集中，指向性強(qiáng)，施焊效率高。但設(shè)備貴，勞動(dòng)保護(hù)要求高，主要針對(duì)鈷基、碳化鎢基材料的堆焊，應(yīng)用于排氣閥座、玻璃模具、球閥、蝶閥、鉆井工具、抗磨板、鍋爐管壁等。 3.表面粘涂技術(shù)表面粘涂技術(shù)是指將添加特殊材料的膠粘劑涂覆與零件表面，以賦予零件表面特殊功能的一項(xiàng)表面工程技術(shù)，適用范圍廣泛，可對(duì)各種不同的材料進(jìn)行施工，如、金屬、陶瓷、水泥制品、橡膠制品等。涂刷厚度范

42、圍從幾十微米到幾十毫米，且均具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。表面粘涂技術(shù)不僅能夠?qū)σ话懔慵M(jìn)行修復(fù)，尤其適用于以下特殊材料和特殊工況零件的修復(fù)：(1)采用難于或不能進(jìn)行焊接加工制成的零件，如鑄鐵、鑄鋁、硬化鋼板、鋁合金、和有橡膠層的金屬零；薄壁零件，采用熱修復(fù)方法進(jìn)行修復(fù)時(shí)易變形或產(chǎn)生裂紋；結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的零件磨損的內(nèi)孔、內(nèi)外溝槽，難以采用焊補(bǔ)施工； (4)特殊環(huán)境及特殊，如儲(chǔ)油罐、燃?xì)夤?、井下設(shè)備等(具有)零件的修復(fù)。(5)需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)的，如難以拆卸的大型零，輸油、輸氣管道以及不具備熱修復(fù)條件的零，可采用表面粘涂技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。4.納米顆粒復(fù)合電刷鍍法微納米技術(shù)是 21 世紀(jì)出現(xiàn)的 3 大高新技術(shù)之一，整

43、體納米化技術(shù)的應(yīng)用估計(jì)還需2030 年時(shí)間。在現(xiàn)階段，將納米顆粒彌散分布在表面涂層內(nèi)，使納米材料與傳統(tǒng)表面工程技術(shù)相融合，發(fā)揮納米材料的優(yōu)異效果，開發(fā)了具有技術(shù)。知識(shí)的納米表面工程通過在普通電刷鍍液中添加納米陶瓷顆粒，并解決納米顆粒在鹽溶液中的團(tuán)聚傾向和非導(dǎo)電的納米陶瓷顆粒與金屬實(shí)現(xiàn)共沉積等兩大技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了納米顆粒與基體金屬之間牢固的化學(xué)鍵結(jié)合，從而依靠納米顆粒的特殊性能，大幅度提高了電刷鍍層的力學(xué)、摩擦學(xué)等性能。針對(duì)汽車發(fā)的關(guān)鍵零，如曲軸、凸輪軸、連桿，利用納米顆粒復(fù)合電刷鍍技術(shù)的納米顆粒復(fù)合電刷鍍層提高了零件的耐高溫、耐磨損和抗疲勞性能。該技術(shù)也成功完成了進(jìn)口飛機(jī)發(fā)壓氣機(jī)葉片的再制造，

44、使葉片抗微動(dòng)磨損性能顯著提高，300h 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證滿足要求，再制造費(fèi)用僅是從國(guó)費(fèi)用的 110，突破了維修技術(shù)瓶頸，獲得了顯著的效果29。術(shù)實(shí)施維修葉輪特征分析葉輪的疲勞失效分析疲勞通常指在循環(huán)載荷的反復(fù)作用下結(jié)構(gòu)材料損傷、裂紋萌生擴(kuò)展的過程30，疲勞破壞最嚴(yán)重的情況是在沒有明顯塑性變形時(shí)突然斷裂，造成的危害和經(jīng)濟(jì)損失。在工程上常將疲勞破壞劃分為三個(gè)階段：初期生核或裂紋開始(萌生)階段、裂紋階段、失穩(wěn)斷裂破壞或由于達(dá)到某種極限而破壞的最后階段31。葉輪疲勞斷裂是近年來離心壓縮機(jī)組向高端化方向發(fā)展的過程中遇到的主要失效形式，作為離心壓縮運(yùn)行往往是多種疲勞組合的葉輪，處于高溫高壓的復(fù)雜工作環(huán)境，其

45、疲勞破壞造成的。造成葉輪破壞的原因，可能是基本強(qiáng)度、材料缺陷、應(yīng)力腐蝕及吸入異物等，一旦破壞，危害甚大。葉輪斷裂一般是由于斷裂源處表面脫碳、組織異常和存在大量鐵素體。運(yùn)行時(shí)葉輪常常受到離心力、壓力以及其它非穩(wěn)定形式激勵(lì)的綜合作用，發(fā)生劇烈振動(dòng)，并產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲，甚至?xí)鹌?。使得葉輪底盤內(nèi)側(cè)葉片附近表面脫碳和出現(xiàn)大量鐵素體組織且使葉輪在該處硬度、強(qiáng)度及耐疲勞性能明顯下降，難以承受壓縮機(jī)工作狀態(tài)對(duì)其產(chǎn)生的應(yīng)力作用，首先在組織薄弱處形成斷裂源并以疲勞方式開裂。壓縮機(jī)流量的增大使得流道的寬度增大，而現(xiàn)代過程工業(yè)普遍要求壓縮機(jī)具有寬的工況范圍，為此在壓縮機(jī)進(jìn)口廣泛的采用了可調(diào)導(dǎo)葉，使得流體的激振力增大

46、。這些共同作用使得近年來壓縮機(jī)葉輪斷裂的事故尤為突出。如圖 3.1 所示即為某型號(hào)離心壓縮機(jī)葉輪的斷裂圖。圖 3.1 離心壓縮機(jī)葉輪斷裂圖2.3.2 葉輪的疲勞分析壓縮機(jī)葉輪葉片疲勞設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)是已知設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)葉片的應(yīng)力狀態(tài)和變化規(guī)律(包括靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力)以及材料的疲勞極限。前者可以通過數(shù)值計(jì)算或?qū)嶒?yàn)獲得，后者可以在材料手冊(cè)中部分查到或完全由試驗(yàn)獲得。下面列舉一些常用的疲勞理論公式32。分析葉片結(jié)構(gòu)的總疲勞(應(yīng)力循環(huán)次數(shù))3葉輪建模CAD 三維建模技術(shù)及 Pro/ECAD 三維建模技術(shù)簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介CAD 即Computer Aided Design(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))30，是依賴于計(jì)算機(jī)、硬件、

47、外部設(shè)備、開發(fā)環(huán)境等工具進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的綜合技術(shù)，是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。以 CAD 技術(shù)產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 50 年代后期，但在 CAD發(fā)展的初期，CAD的含義僅僅是圖板的替代品，被稱為計(jì)算機(jī)輔助出圖。直到 80 年代，CAD 技術(shù)日趨成熟，己經(jīng)成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域最有影響的方向之一，是人類從事生產(chǎn)活動(dòng)的得力工具，并且得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)提高制造業(yè)整體水平、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步發(fā)揮著極其重要的作用，現(xiàn)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技及工業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。建模技術(shù)是CAD 的技術(shù)現(xiàn)在主要利用CAD對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析并且輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)。從 50 年代至今建模技術(shù)經(jīng)歷了二維出圖、三維幾何建模(包括線框建模

48、、曲面造型和實(shí)體造型)、參數(shù)化和變量化特征建模及產(chǎn)品集成建模的發(fā)展過程。現(xiàn)已將計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)(CAM)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)(PDM)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS) 及計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT) 融于一體。常用的三維建模技術(shù)Inventor，Solid Edge，Solid Works，Pro/Engineer，CATIA，UG 等。有：Autodesk3.1.2 Pro/E簡(jiǎn)介Pro/Engineer 系統(tǒng)31是參數(shù)技術(shù)公司(Parametric Technology Corporation，簡(jiǎn)稱PTC)推出的基于 CAD/CAE/CAM 的包。其最突出的特點(diǎn)在于它的參數(shù)化建模、基于特征、全

49、尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)修改。參數(shù)化使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)聯(lián)系在一起，任何一個(gè)環(huán)節(jié)中發(fā)生零件尺寸的修改都可以自動(dòng)環(huán)境中。Pro/Engineer 系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)如下：到整個(gè)建模（1）真正的全相關(guān)性，任何地方的修改都會(huì)自動(dòng)反映到所有相關(guān)地方；（2）正管理并發(fā)進(jìn)程、實(shí)現(xiàn)并行工程的能力；具有強(qiáng)大的裝配功能，能夠始終保持設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖；容易使用，可以極大地提高設(shè)計(jì)效率。Pro/Engineer 系統(tǒng)用戶界面簡(jiǎn)潔，概念清晰，符合工程的設(shè)計(jì)與。整個(gè)系統(tǒng)建立在的數(shù)據(jù)庫上，具有完整而的模型。Pro/Engineer 建立在工作站上，系立于硬件，便于移植。本文采用的Pro/Engineer Wi

50、ldfire 野火版 5.0 比其以前的版本提供了更高的靈活性，可幫助用戶克服影響設(shè)計(jì)效率的。用戶體驗(yàn)的改善（例如圖形化瀏覽、直觀的UI 增強(qiáng)功能、簡(jiǎn)化的任務(wù)和更快的性能）提高了設(shè)計(jì)效率并縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。為CAD 互操作性樹立了標(biāo)準(zhǔn)。增強(qiáng)了自身對(duì)其他 CAD 系統(tǒng)和非幾何的支持，而且支持原始的 Autodesk、Inventor 和Solid Works 數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、導(dǎo)入、導(dǎo)出的效率也大大加快。3.2 葉輪三維建模根據(jù)離心壓縮機(jī)葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)某型號(hào)的壓縮機(jī)葉輪進(jìn)行三維建模。主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：?jiǎn)?dòng)Pro/E，選擇新建零件，選擇模板。分析葉輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，初步確定各主要特征的創(chuàng)建順序

51、。創(chuàng)建與修改葉輪的基本特征。創(chuàng)建和修改其他特征。所有特征創(chuàng)建完成后，參數(shù)化所涉及的各個(gè)尺寸。對(duì)葉輪采建模的流程如下：圖 3.2 建立葉輪模型的流程圖經(jīng)過以上步驟，新品葉輪、再制造葉輪實(shí)體模型如圖 3.3、圖 3.4 所示：圖 3.4 新品葉輪模型圖 3.5 再制造葉輪模型3.3 本章小結(jié)本章介紹了 CAD 三維建模技術(shù)和 Pro/Engineer的相關(guān)情況，并且按照葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)再制造葉輪、新品葉輪進(jìn)行三維實(shí)體建模，得到實(shí)體模型圖。4再制造葉輪的有限元分析有限元分析方法簡(jiǎn)介有限元分析方法有限（finite element method）的基本概念是用較簡(jiǎn)單代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看

52、成是由若干個(gè)有限大小的單元體的集合，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)這個(gè)求解域的總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解，這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因此實(shí)際問題被較簡(jiǎn)單所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析。隨著矩陣?yán)碚摗?shù)值分析方法、特別是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，有限無論在理論研究還是在應(yīng)用上都取得了巨大進(jìn)步。有限應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣，從最初的結(jié)構(gòu)力學(xué)到現(xiàn)在的熱力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)和聲學(xué)等領(lǐng)域。從最初的簡(jiǎn)單靜力分析發(fā)展到現(xiàn)在的動(dòng)力學(xué)分析、強(qiáng)度剛度分析、非線性結(jié)構(gòu)分析、多物理

53、場(chǎng)耦合分析等復(fù)雜問題的計(jì)算。而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限優(yōu)化分析現(xiàn)已經(jīng)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造的重要組成部分。從選擇未知量的角度來看，有限可分為三類，即位移法和混合法。以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量的求解方法稱為位移法；以節(jié)點(diǎn)力為基本未知量的求解方法稱為力法；一部分以節(jié)點(diǎn)位移，另一部分以節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量的求解方法稱為混合法。4.1.2 ANSYSANSYS簡(jiǎn)介是包含結(jié)構(gòu)分析、流體力學(xué)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)分析、熱變形和模態(tài)等分析于一體的大型通用有限元。它不斷吸收世界的計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)，引導(dǎo)著有限元界的發(fā)展趨勢(shì)。是由世界上最大的有限元公司之一的ANSYS公司開發(fā)，用有能與大多數(shù)的 CAD接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享

54、和交換，如 Pro/Engineer，NASTRAN，IDEAS，AutoCAD 等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAE 工具之一33。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型，包括實(shí)體建模和網(wǎng)格化分。分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化能力。后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（

55、可看到結(jié)構(gòu)結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算在有限元的運(yùn)用過程中，最為常用的就是結(jié)構(gòu)分析，在結(jié)構(gòu)分析中，首先分配單元屬性，然后再建立模型，接著劃分網(wǎng)絡(luò)，而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中最為基礎(chǔ)的部分節(jié)點(diǎn)是進(jìn)行有限元計(jì)算的基礎(chǔ)單元。通過對(duì)于節(jié)點(diǎn)的位移和受力的分析，可以得到所需要求得的模型的位移受力分布，從而可以找出支座的受力情況。在結(jié)構(gòu)分析中 ANSYS主要對(duì)于靜力學(xué)的分析和動(dòng)力學(xué)的分析，另外還有非線性的結(jié)構(gòu)分析。其中靜力分析比較簡(jiǎn)單，只用分析一下在物體模型受力不變的情況下的應(yīng)力和位移情況。而對(duì)于動(dòng)力學(xué)分析來說，顧名思義也就是物體模型受到隨時(shí)間變化的力的作用的情況下的應(yīng)力應(yīng)變情況。其中

56、包括諧響應(yīng)分析、模態(tài)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析等。而對(duì)于非線性的結(jié)構(gòu)分析來說，主要是物體模型的材料具有非線性的材料、彈性和粘性等，或者物體模型受到大的力的作用從而產(chǎn)生大的變形，例如跌落試驗(yàn)，模擬、碰撞模擬等等。ANSYS 有限元分析的一般步驟28如圖 4.1：YS 有驟4.2 再清制空數(shù)造據(jù)葉庫并輪有限元模型建立查看分析結(jié) 4.2.1 ICEMCFD簡(jiǎn)開始一個(gè)新的ICEMCFD 是ICes 公生成網(wǎng)格的，可生分析創(chuàng)建或讀入 施加載荷指定新的工 作 文 件 名分析處理并 評(píng)估結(jié)果定義單元實(shí) 常數(shù)選擇分析模司型的并產(chǎn)設(shè)品置，分它是析選項(xiàng)介選擇單元實(shí) EM常數(shù)TechnologiANSYS 分析開始準(zhǔn)備工

57、作查看分析結(jié)果：（后處理器加載求解(求限解元分器析的一：般步Solution)建立模型（前圖處4理.1器AN：S成塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(三角形、四面體、六面體)，適體坐標(biāo)以及H 型自適應(yīng)網(wǎng)格。一般ICEMCFD 的處理步驟是：幾何圖形的定義、模型的設(shè)定、網(wǎng)格的生成、網(wǎng)格編輯、轉(zhuǎn)換為分析代碼。ICEMCFD 與 CATIA、UG、Pro/E、IDEAS 等主流 CAD 軟生成的幾何造型文件直接讀入，它有自己的 CAD 系件都有直接接口，可以將這些統(tǒng)-DDN，也可讀入 IGES、SAT、STL 等格式的文件。它可以提取幾何造型文件中的曲面、曲線和點(diǎn)，整理和增添幾何造型。同一套網(wǎng)格可以輸出到任

58、何求解器，如 STARCD、 Ansys/Flotran、Phoenics、Fluent、CFX、Numeca、CFD+等上百種求解器，對(duì)同樣的網(wǎng)格用不同的求解器計(jì)算，比較各求解器的優(yōu)缺點(diǎn)。ICEMCFD 生成的網(wǎng)格不僅可供CFD使用，還可以供CAE使用。ICEMCFD 劃分網(wǎng)格的工作流程如圖 4.2 所示圖 4.2 ICEMCFD 的工作流程圖4.2.2 葉輪的建模與網(wǎng)格劃分本文研究的葉輪的直徑為 300mm，出口直徑為 415mm，高為 150mm，材料是FV520B，彈性模量為 210GPa，屈服強(qiáng)度為 1100MPa，泊松比為 0.3，密度為 7800kg/m3。慣性載荷選項(xiàng)中，設(shè)定工

59、作轉(zhuǎn)速為 2026利用ICEMCFD生成的葉輪網(wǎng)格劃分如圖 4.2。圖 4.2 葉輪網(wǎng)格劃分再制造葉輪有限元分析再制造葉輪離心力分析離心力是一種慣性的表現(xiàn)，實(shí)際是不存在的。為使物體做圓周運(yùn)動(dòng)，物體需要受到一個(gè)指向圓心的力即向心力。若以此物體為原點(diǎn)建立坐標(biāo)，看起來就好像有一股與向心力大小相同方向相反的力，使物體向遠(yuǎn)離圓周運(yùn)動(dòng)圓心的方向運(yùn)動(dòng)，即為離心力。葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以分布體積力的形式作用于葉輪上，計(jì)算時(shí)將以集中力的形式施加在模型各個(gè)單元的質(zhì)心上，力的方向向外，大小為圖 4.3葉輪的等效應(yīng)力圖圖 4.4 葉輪的等效應(yīng)變圖葉輪的有限元分析結(jié)果：在強(qiáng)度分析中，應(yīng)力和變形是所關(guān)心的主要結(jié)果。A

60、NSYS中的云圖能很好的展示模型的應(yīng)力和位移分布以及各個(gè)區(qū)域的結(jié)果值，查看結(jié)果可以得到結(jié)果的數(shù)值解，從中獲取特定的信息，如最大應(yīng)力和位移值以及所在節(jié)點(diǎn)的和坐標(biāo)值，這為優(yōu)化提供了有的放矢的依據(jù)。通過計(jì)算分析，可以得到整個(gè)葉輪詳細(xì)應(yīng)力分布情況，可以得到最大應(yīng)力的實(shí)際位置。對(duì)現(xiàn)有的有限元，可以以不同的形式對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理工作。可分別以云圖、等值線圈、等值面圖、及列表等形式將結(jié)果顯示出來。從云圖和等值線圖上可以直接查出最大應(yīng)力所處的位置，而從列表中則到最大應(yīng)力的具體坐標(biāo)位置。利用ANSYS對(duì)葉輪只受離心力作用時(shí)的應(yīng)力進(jìn)行分析后，得到葉輪的等效應(yīng)力分布圖和等效應(yīng)變分布圖，可以看出葉輪在工作時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變