真空挖掘用碳纤维复合材料高速离心叶轮结构设计与分析毕业论文

2020-02-17 08:02

摘要

真空挖掘系统是通过抽吸的方法进行挖掘，真空挖掘车正广泛应用于管道清理、污染治理以及各种市政工作中。高速离心叶轮是真空挖掘的核心，叶轮设计是影响挖掘系统性能的关键，由于传统金属叶轮采用的是合金铸铁、高强度钢，性能不够良好。本文设计了一种碳纤维复合材料的高速离心叶轮，研究内容如下：

(1)对离心叶轮进行设计，确定离心叶轮的尺寸、结构和碳纤维材料类型等。

(2)对碳纤维复合材料离心叶轮进行理论计算和结构强度分析等。

(3)通过SolidWorks对叶轮和流道进行三维建模，并得到离心叶轮的铺层面模型，确定叶轮的铺层方案，在Ansys workbench中完成碳纤维复合材料离心叶轮的铺层设计，得到碳纤维复合材料叶轮的结构模型。

(4)在Ansys workbench中对碳纤维复合材料离心叶轮划分结构网格，并施加载荷和约束，进行单向流固耦合仿真分析，通过与理论分析对比，验证叶轮结构的合理性，对叶轮进行改进，将确定的叶轮进行模态分析，了解叶轮的动力性能。

关键词：离心叶轮；碳纤维复合材料；铺层设计；单向流固耦合

Abstract

Vacuum excavating system is used to excavate by means of suction. Vacuum excavating truck is widely used in pipeline cleaning, pollution control and various municipal work.High speed centrifugal impeller is the core of the vacuum mining, the impeller design is the key to affect the mining system performance,as a result of the traditional metal impeller adopt alloy cast iron and high strength steel ,their performance is not good.This paper designed a kind of carbon fiber composite material of high speed centrifugal impeller, the research content is as follows:

(1) design of the centrifugal impeller, and determine the size, structure and carbon fiber materials type of the centrifugal impeller.

(2) theoretical calculation and structural strength analysis of carbon fiber composite centrifugal impeller.

(3) three-dimensional modeling of impeller and runner was conducted through SolidWorks, and the layering model of centrifugal impeller was obtained. The layering scheme of impeller was determined. In Ansys workbench, the layering design of carbon fiber composite centrifugal impeller was completed, and the structural model of carbon fiber composite impeller was obtained.

(4) in Ansys workbench, the centrifugal impeller of carbon fiber composite material was divided into structural grids, and loads and constraints were applied to carry out one-way fsi simulation analysis. By comparison with theoretical analysis, the rationality of the impeller structure was verified, and the impeller was improved. Modal analysis of the impeller was conducted to understand the dynamic performance of the impeller.

Key Words: centrifugal impeller； carbon fiber reinforced plastics； laminate design；unidirectional fluid-solid coupling

第1章绪论 1

1.1 课题背景和国内外现状 1

1.2 碳纤维复合材料离心叶轮的特点 1

1.3 本文的研究内容和论文结构 2

1.4 本章小结 2

第2章离心叶轮的基本结构和理论计算 3

2.1 叶轮的主要结构和参数设计 3

2.2 叶轮的理论计算公式 4

2.3 叶轮的强度分析公式及推导 5

2.4 叶轮的理论计算和强度分析结果 12

2.5 叶轮功率和效率的计算 13

2.5.1 叶轮的有效功率 13

2.5.2 叶轮的容积泄漏量和容积效率 14

2.5.3 叶轮的流动损失功率和流动效率 15

2.5.4 叶轮的轮阻损失功率和轮阻效率 17

2.5.5 叶轮的轴功率功率和机械效率 17

2.5.6 叶轮所配电机功率 17

2.6 本章小结 18

第3章叶轮的三维建模及网格化处理 19

3.1 离心叶轮的三维建模 19

3.1.1 SolidWorks概述 19

3.1.2 SolidWorks建模步骤 19

3.2 离心叶轮的导入和网格化处理 22

3.2.1 网格和常用划分工具 22

3.2.2 导入ANSYS workbench并划分流道网格 23

3.3 本章小结 23

第4章离心叶轮内部流场仿真分析 24

4.1 流体流动的基本特性 24

4.2 Workbench FLUENT模块简介 24

4.3 离心叶轮内部流动的基本方程和模型 25

4.3.1 控制方程 25

4.3.2 湍流模型 25

4.4 流场的求解方法 26

4.4.1 耦合式解法 26

4.4.2 分离式解法 27

4.5 流场分析过程和边界条件 27

4.5.1 参数设置步骤 27

4.5.2 进口边界条件 29

4.5.3 出口边界条件 29

4.6 求解和计算 30

4.6.1 静压云图 30

4.6.2 速度矢量图 31

4.6.3 流线图 31

4.7 本章小结 32

第5章铺层设计和流固耦合分析 33

5.1 ACP-Pre及碳纤维复合材料概述 33

5.2 铺层角度和铺层参数设定 34

5.3 叶轮静力分析概述 38

5.3.1 静力分析的原理 38

5.3.2 静力分析的基本方程 38

5.4 单向流固耦合分析的实现过程 39

5.4.1 单向流固耦合的求解方法 39

5.4.2 workbench单向流固耦合功能模块 39

5.4.3 施加载荷和约束 40

5.5 铺层正负45度叶轮分析 42

5.5.1 叶轮静力分析 42

5.5.2 单向流固耦合分析 45

5.6 铺层正负30度叶轮分析 47

5.6.1 叶轮静力分析 47

5.6.2 单向流固耦合分析 50

5.7 铺层正负60度叶轮分析 52

5.7.1 叶轮静力分析 52

5.7.2 单向流固耦合分析 54

5.8 确定叶轮以及复合材料叶轮强度分析 56

5.9 本章小结 57

第6章模态分析 58

6.1 模态分析概述 58

6.2 研究叶轮的固有频率和模态振型 58

6.3 本章小结 59

第7章总结与展望 60

7.1 总结 60

7.2 展望 60

参考文献 61

附录 63

致谢 65

第1章绪论

1.1 课题背景和国内外现状

随着社会的高速发展，地下施工的工程量日益增多，真空挖掘技术以高效性、安全性被越来越广泛认可并运用^[1]。真空挖掘技术通过离心叶轮的高速旋转，产生抽吸过程将混合物转移^[2]。真空挖掘碳纤维复合材料高速离心叶轮具有优良的工作性能，相比传统金属离心叶轮，复合材料碳纤维在比重、模量、强度等性能上优于传统叶轮五倍左右，而且碳纤维材料热膨胀系数小，产生的变形也很小^[3]。采用碳纤维材料来设计离心叶轮，可以使离心叶轮在高效和安全性能上更加优异。

国外在离心叶轮的研究上领先了几十年，早在20世纪50年代，第一台压缩空气吸风机就已经生产出来，但它只用于特殊结构而且没有生产，其采用的叶轮便是离心叶轮。1988年，当香港并没有回归时，在其翻新的地铁隧道项目中，DISAB首先使用真空挖掘挖掘机Railvac来抽走地下水和废物^[4]。我国对离心叶轮的起步较晚，最初研究离心泵叶轮分流叶片的是博山水泵厂^[5] ，刘在伦^[6]，Gui L^[7],钱泽球^[8]等人针对离心泵叶轮的不同分流叶片做了三维的数值模拟，对离心叶轮的结构性能有了进一步的分析和结论，王振东^[9]在离心风机上采用长短叶片设计，减少了气动损失，改善了叶轮性能。在离心叶轮的材料分析上，梅宁^[10]等人采用了流体分析模块对碳纤维复合材料离心风机的叶轮进行分析，研究发现，该叶轮相比其他不同叶轮，在提供风压时能吹走余灰。

目前在碳纤维复合材料研发和产线技术上世界领先的是中日美德等国，中国由神鹰公司在2017年底完成了T800的产线化并开始盈利，在材料上打破了日本封锁^[11]。离心叶轮的设计分析一直发展到今天，仍然需要对叶轮进行结构和材料上的不断探索。

1.2 碳纤维复合材料离心叶轮的特点

本次离心叶轮的设计是为了进行真空挖掘，因此叶轮需要进行高速的旋转，在离心叶轮工作过程中，电动机提供动力以驱动旋转轴高速旋转，旋转轴驱动风扇叶轮旋转。叶轮叶片带动流体，以便通过离心力将流体从蜗壳中甩出。由于空气动力学布局，叶轮中的压力小于入口处的压力，因此新的流体在压差下被迫进入叶轮。通过这种方式，实现了流体连续吸入和连续排出的过程^[12]。

本次设计采用的材料是碳纤维复合材料，相比铸铁铸钢以及铝质合金等材料制作的离心叶轮，碳纤维复合材料优点如下：

（1）碳纤维复合材料具有良好的工艺性，复杂的结构不需要经过繁琐的机械加工过程，而是通过整体成型直接得到。（2）碳纤维复合材料的比重小、强度高，在结构的承载能力上远远优于传统材料。（3）碳纤维复合材料的热膨胀系数小，在高速运动过程中产生的变形小，因此碳纤维复合材料的离心叶轮整体变形更小，使用寿命更长^[13]。（4）碳纤维材料具有进一步的可设计性，改变碳纤维材料的铺层角度，能够大幅度影响碳纤维复合材料叶轮的力学性能。因此，可以通过铺层优化来进一步改善性能。（5）碳纤维复合材料在高速旋转过程中抗冲击性好，耐磨性好，抗腐蚀性能好，相比传统材料，安全性能更好^[14]。

1.3 本文的研究内容和论文结构

本文研究内容是完成真空挖掘用碳纤维复合材料高速离心叶轮的结构设计和分析，需要确定离心叶轮的关键参数，完成碳纤维复合材料高速离心叶轮理论计算分析，对叶轮的流量、受力与强度等进行计算，并建立叶轮的相关结构模型、流道模型，绘制碳纤维复合材料高速离心叶轮的装配图和零部件图，对离心叶轮进行铺层设计，然后进行流体-结构的单向流固耦合分析。本文采用的软件有SolidWorks、MATLAB以及ANSYS Workbench。通过MATLAB对碳纤维复合材料高速离心叶轮进行结构的理论计算，用Solidwork进行离心叶轮的建模并导入ANSYS workbench进行分析。论文共分为七章。

第1章为绪论，介绍了碳纤维复合材料离心式叶轮及国内外的研究现状。

第2章为叶轮的基本结构和理论计算，通过传统理论方法计算离心叶轮的相关参数，从而确定离心叶轮的基本结构和相关参数，并推导得出离心叶轮的流量、受力、强度以及功率效率等计算公式，将理论公式进行MATLAB编程并得出结果。

第3章是叶轮的三维SolidWorks建模过程，主要是构建离心叶轮的流道模型、结构模型和铺层模型，为后面的流固耦合做准备。

第4章是叶轮的流道分析，详细介绍了fluent平台的基本操作和得到的分析结果。

第5章是叶轮的铺层设计和流固耦合分析，仿真得到碳纤维材料离心叶轮的具体性能。

第6章是对所确定的叶轮进行自由模态分析，得到共振频率和模态振型。

第7章是总结与展望。

1.4 本章小结

本次毕业设计的目的是为了设计出真空挖掘技术的核心部件，碳纤维复合材料高速离心叶轮的设计和分析工作是此次的重点，需要通过了解离心叶轮的基本结构和碳纤维复合材料的相关参数，对碳纤维复合材料高速离心叶轮的结构进行选定并绘制图纸。高速离心叶轮现今在多个机械部件中都有运用，是抽吸系统的关键元件。

第2章离心叶轮的基本结构和理论计算

2.1 叶轮的主要结构和参数设计

本次设计的碳纤维复合材料高速离心叶轮是用于真空挖掘，因此结构采用的是闭式叶轮^[15]。轮盖、轮盘和叶片三部分组成离心叶轮，该叶轮工作效率高，性能好，在高速旋转过程中输送的介质为空气，介质中没有杂质，选取闭式叶轮，叶轮的结构如图2.1所示^[16]。

$C:\Users\Administrator\Desktop\20190422183145.png$

图2.1 叶轮结构图

由于T700已经在国内实现量产，因此本次CFRP叶轮的材料选取为T700，该材料综合性能优异，其模量、泊松比和密度如下表1.1所示。

表1.1 T700碳纤维复合材料性能参数

材料属性	数值
EX(X方向弹性模量)	1.15E11(Pa)
EY(Y方向弹性模量)	6.43E9(Pa)
EZ(Z方向弹性模量)	6.43E9(Pa)
PRXY(XY方向泊松比)	0.28
PRYZ(YZ方向泊松比)	0.34
PRXZ(XZ方向泊松比)	0.28
GXY(XY剪切模量)	6E9(Pa)
GYZ(YZ剪切模量)	6E9(Pa)
GXZ(XZ剪切模量)	6E9(Pa)
DEN(密度)	1800kg/m^3

真空挖掘车的核心部件是离心叶轮，目前市场上的挖掘车所用离心叶轮的最大尺寸有几百毫米、上千毫米等等。本次T700离心叶轮设计针对的是一般真空挖掘车，因此叶轮最大尺寸没有超过500mm，离心叶轮具体的设计参数见表1.2。

表1.2 碳纤维T700离心叶轮相关参数表

叶片角	风机容积效率	叶道入口宽度	轮盖内圈直径	叶轮转速	叶片最大径

叶片入口角	风机流动效率	叶道出口宽度	轮盖外圈直径	叶轮角速度	材料泊松比

叶片出口角	风机轮阻效率	叶道入口直径	轮盘内圈直径	叶片厚度	材料密度

圆弧中心角	叶片重中心距	叶道出口直径	轮盘外圈直径	叶片数	空气密度