基于Patran和MSC Nastran的某空压机第1级叶轮强度分析及结构优化

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于Patran和MSC Nastran的某空压机第1级叶轮强度分析及结构优化范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：基于patran和msc nastran，采用三维有限元法分析某型空压机第1级叶轮在工作转速下的强度，并优化叶轮结构.研究结果表明：原叶轮在叶片进气边分别与轴盘和盖盘的焊接处出现高离心应力区域；原叶轮设计模型的最大应力为970 MPa，与材料抗拉强度试验平均值1 066 MPa相差9%，安全裕量不足.优化设计后的叶轮模型的最大应力为864 MPa，与材料抗拉强度试验平均值1 066 MPa相差19%，安全裕量提高1倍.

关键词：空压机； 叶轮； 强度； 优化； MSC软件

中图分类号：TH457文献标志码：B

0引言

空压机是能源、化工等国家支柱产业的重要机械设备，叶轮作为空压机实现能量转换的核心部件，其强度性能的好坏直接关系到空压机运行的安全可靠性.

大型空压机叶轮通常采用焊接结构.当焊接工艺控制不严时，容易形成焊接缺欠，降低承载能力，产生应力集中，降低疲劳强度.加之其工作环境恶劣，容易造成叶轮焊件产生裂纹甚至断裂故障.本文基于Patran和MSC Nastran对某型空压机第1级叶轮进行强度计算和结构优化.

1叶轮概况

1.1叶轮设计参数

空压机的第1级叶轮由叶片、盖盘和轴盘等3部分组成.叶轮采用焊接结构，其焊接顺序是先将叶片与盖盘进行焊接，随后与轴盘进行焊接.叶轮的叶片、盖盘和轴盘的材料均为FV502B；密度为7 850 kg/m3，泊松比为0.27，弹性模量为2.13×1011 Pa；试验屈服强度σ0.2为919～1 068 MPa，抗拉强度σb为929～1 103 MPa.

1.2叶轮设计模型

根据第1级叶轮轴盘、盖盘及叶片的设计尺寸和焊接技术要求，建立设计条件下的叶轮的三维实体模型，见图1.叶片与轴盘、盖盘焊接良好，焊缝倒圆取设计值.

5结论

通过对某型空压机第1级叶轮的设计模型、制造模型和优化模型的结构强度分析，可以得到以下结论：

（1）原设计模型和制造模型均在长叶片进气边端部与轴盘焊缝倒圆处存在高应力区域，且发生塑性变形；叶轮设计模型的最大应力为970 MPa，与材料抗拉强度的试验平均值1 066 MPa相差9%，强度设计安全裕量不足.

（2）优化后叶轮模型的高离心应力区域未发生塑性变形；优化模型的最大应力为864 MPa，与材料抗拉强度相差19%，安全裕量提高1倍.

（3）应提高叶片与轴盘、盖盘的焊接质量，并加强叶片与轴盘、盖盘焊缝的检测，发现焊接缺欠应及时进行消除，避免产生应力集中而降低叶轮的安全裕量.

参考文献：

[1]凌道盛， 徐兴编. 非线性有限元及其程序[M]. 杭州： 浙江大学出版社， 2004.

[2]徐秉业， 刘信声. 应用弹塑性力学[M]. 北京： 清华大学出版社， 2007.

[3]俞茂宏， YOSHIMINE M， 强洪夫， 等. 强度理论的发展和展望[J]. 工程力学， 2004， 21（6）： 1-20.（编辑陈锋杰）