基于计算机辅助工程的风机流固耦合分析

□ 金玉龙

上海艾羽信息科技有限公司 上海 201703

1 分析背景

计算机辅助工程将工程的各环节有机组织起来,对有关信息进行集成,存在于工程的整个生命周期中。计算机辅助工程系统是一个有机集成人员、技术、经营管理、信息流、物流,并且可以优化运行的复杂系统。在当今竞争激烈且多样化的市场环境中,企业需要在最短时间内设计和验证产品性能,将最好的产品以最快的速度投放至市场中。企业设计研发部门所使用的传统工程分析方法一般是利用点分析工具,近似模拟产品在现实环境中的行为。但是在通常情况下,产品的性能总是受多种物理环境的同时影响,用户使用单一分析工具往往不能准确充分模拟产品的真实性能。为了解决这一问题,进一步提升产品的竞争力,使企业更好地适应市场需求,可以使用计算机辅助工程。计算机辅助工程能够巧妙地解决多学科分析技术,大大缩短仿真分析与实际工作环境之间的差距,确保准确模拟真实世界。多学科仿真技术是很多企业级解决方案的核心和基础,企业仿真方案使用详细的数字产品模型模拟并验证产品各方面性能,制订和跟踪严格的设计目标,沟通协调产品开发,进而使产品的创新和质量提高到一个更具竞争力的水平。

计算机辅助工程在研发流程中的作用如图1所示。目前,国内的设计主要以经验和逆向设计为主,仿真并没有在整个研发周期中起重要作用。国外对计算机辅助工程则较为重视,计算机辅助工程在设计初期就已经起关键作用。利用计算机辅助工程仿真来代替传统试验样机模型,可以减少试验物理样机的试制,缩短研发周期,大大降低研发成本。

目前,我国风电设备制造产业链发展并不完善,风机整机制造受关键零部件瓶颈制约较为严重。风机主要零部件已经实现国产化,并且可以批量供应,但兆瓦级风机的核心配件仍然存在较大缺口。另一方面,钢铁、铜线、碳纤维等原材料价格的上涨也使风机成本降低趋缓,对风机进行仿真分析可以起到事半功倍的效果。笔者基于计算机辅助工程对一款新开发的风机进行流固耦合分析。

2 分析流程

计算机辅助工程软件平台在仿真时支持多学科之间的交互作用和耦合效应,无论是线性、非线性,还是运动学、显式动力学,多种学科能够一起工作,进而准确、适时在多学科之间提供正确的工程和力学反馈。对于单学科专家而言,仍然需要通过离散分析步骤来手工模拟多学科之间的复杂交互作用,这样势必会造成信息传输丢失,降低模拟精度。工程师有时还需要手工传递计算信息,或者将运动信息作为静态信息施加至系统中,这一过程可重复性差,人为错误也难以避免。多学科仿真在同一数据平台下模拟多种物理场之间的相互作用,允许多学科在求解器内核上的集成仿真,而不仅仅是简单的相互之间的连接。多学科仿真已超越传统多物理场系统,可以对多学科进行深层次链接或集成。

笔者采用ANSYS仿真软件对风机模型进行分析,流体部分采用全六面体单元进行网格划分,结构部分采用壳和体单元进行网格划分。

建模时,将建立的风机计算机辅助设计模型导入ANSYS软件SpaceClaim模块进行模型修复。对修复的模型进行前处理,完成结构部分中面几何拓扑修复和流体部分全六面体网格划分,对流体边界命名,并对流固耦合面命名。在ANSYS Workbench平台中分别建立Fluent分析和Mechanical分析项目,并将Fluent分析项目压力结果作为Mechanical分析项目载荷输入条件,即将Fluent分析项目计算的压力通过流固耦合面传递给Mechanical分析项目。设置固体部分材料类型、厚度、网格,并固定约束,然后进行求解和后处理。

3 建模

将风机的计算机辅助设计模型导入ANSYS软件SpaceClaim模块,基于机构工作原理与分析类别进行模型简化,去除一些不必要的小特征,如小倒角、小圆孔等。叶片网格模型如图2所示,采用局部四面体加六面体网格划分,尺寸为3～5 mm,材料为聚丙烯加50%玻璃纤维。上下轮毂网格模型如图3所示,采用四面体网格划分,尺寸为3～4 mm,材料为尼龙6加50%玻璃纤维。调节块网格模型如图4所示,采用四面体网格划分,尺寸为3～4 mm,材料为尼龙6加50%玻璃纤维。马达卡套网格模型如图5所示,采用六面体加棱柱体网格划分,材料为铝合金。风机罩网格模型如图6所示,采用壳网格划分,尺寸为20 mm,材料为纤维增强复合材料。马达支架网格模型如图7所示,采用壳网格划分,尺寸为20 mm,材料为铝合金。

材料物理属性见表1。

电机的转速为700 r/min,即11.6 rad/s,电机的质量为23 kg。叶片的总质量为4 kg。风量在入口流速为12.542 8 m/s,最大转速下风机入口压力分为22 Pa和0 Pa两种工况进行分析。由Fluent分析项目计算耦合在叶片、风机罩、风机支撑杆上的作用力,内壁受到的压力为37～40 Pa。

表1 材料物理属性

流体域网格模型如图8所示,风机入口和出口段各加长1 m直段,确保流体计算收敛。

流体域模型内部设置为多参考坐标系旋转域,如图9所示。

4 流体计算

对最大转速下风机入口压力为22 Pa和0 Pa两种工况下的流体进行计算。风机切面流速云图如图10所示,风机切面压力云图如图11所示,风道出口流速如图12所示,叶片表面压力云图如图13所示。

由上述计算结果可以发现,入口压力为22 Pa时叶片所受压力比入口压力为0 Pa时大。这是因为在入口压力22 Pa工况下,叶片可能处于失速,入口压力大于出口压力,叶片对风机风压的提升没有起到作用。后续采用入口压力22 Pa工况进行结构强度计算。

5 强度计算

将流体计算结果耦合在固体域表面,如图14所示。强度计算时主要涉及风机罩、叶片、风机支撑杆。

风机整机结构应力云图如图15所示,位移云图如图16所示。应力主要集中于叶片根部和电机支撑杆连接位置,最大应力约为3.9 MPa。位移主要产生于叶片根部和马达支架连接马达的位置,最大位移约为0.5 mm。由强度计算可知,风机整机结构强度基本满足要求。

6 结束语

现代设计方法表明,产品设计成本虽然只占产品总成本的5%,但是却能对产品总成本的70%产生影响。潜在的问题越早得到解决,设计成本降低与研发周期缩短的效果越明显。由此,应用计算机辅助工程应当提前至概念设计阶段。当然,对成千上万的零部件都进行刚度、强度校验,人力不允许。对此,设计人员负责对自身设计的零部件进行分析校核,已成为企业的发展方向。但是目前的计算机辅助工程软件对设计人员而言门槛较高,建议为设计人员量身定制计算机辅助工程分析工具。

计算机辅助工程在产品研发过程中有重要的作用,笔者基于计算机辅助工程对风机进行流固耦合分析,可以为设计人员提供参考。计算机辅助工程已应用于各行各业,利用计算机辅助工程仿真来代替试验物理样机试制,可以缩短研发周期,降低研发成本,进而给企业研发带来较大的经济效益。