基于ANSYS workbench六片斜葉圓盤渦輪攪拌器的模態(tài)分析

馬崇斌　祁祥松　梁之西　王建鵬

摘 要：六片斜葉圓盤渦輪攪拌器是壓力容器中重要的工作部件，其轉(zhuǎn)動速度的大小和穩(wěn)定直接關(guān)系到壓力容器的工況能否正常運行，結(jié)合UG6.0對相應(yīng)的六片斜葉圓盤渦輪攪拌器進(jìn)行簡化和實體建模。將簡化過的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench的模態(tài)分析模塊，結(jié)合相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力分析模塊對工況轉(zhuǎn)速條件下的六片斜葉圓盤渦輪攪拌器模態(tài)進(jìn)行分析，分析六片斜葉圓盤渦輪攪拌器的前六階的模態(tài)，通過模態(tài)分析得到各階固有頻率和實際工況轉(zhuǎn)速相比較，為研究壓力容器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和振動分析提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：斜葉圓盤渦輪；攪拌軸；ANSYS；模態(tài)分析

引言

六片斜葉圓盤渦輪攪拌因其具有循環(huán)性能好，動力消耗低等特點，在石油，化工等行業(yè)的應(yīng)用尤為突出。六片斜葉圓盤渦輪攪拌器主要工作部件是一具有離心輪狀的圓盤，當(dāng)攪拌軸轉(zhuǎn)動時，物料沿輪狀圓盤的軸向由中心孔進(jìn)入葉輪，在各小葉片作用下而獲離心加速度，向轉(zhuǎn)軸中心流竄產(chǎn)生渦流而達(dá)到攪拌混的目的.所以，在實際工況的低速旋轉(zhuǎn)中，整個攪拌器的結(jié)構(gòu)剛度受到轉(zhuǎn)速的影響而發(fā)生改變。故對實際工況下的攪拌器子進(jìn)行模態(tài)分析是十分必要的。

1 六片斜葉圓盤渦輪攪拌器的模態(tài)分析方法

應(yīng)用模態(tài)分析方法確定攪拌器的動態(tài)特性包括固有頻率表，振型和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。利用有限元法求解具有不規(guī)則集合攪拌器模態(tài)，考慮相應(yīng)軟件中的 ANSYS Workbench 的線性模態(tài)分析方法，因此結(jié)合振動學(xué)可知，多自由度無阻尼振動方程為（1）：

2 六片斜葉圓盤渦輪攪拌器的模型建立

參考實際攪拌器尺寸，采用 UG6.0 繪制攪拌器的三維實體模型，為提高后期網(wǎng)格質(zhì)量和結(jié)果分析的準(zhǔn)確性。僅僅選取攪拌器主體模型。

去除倒角，裝配凹槽等細(xì)節(jié)模型。保留相應(yīng)的主軸階梯狀結(jié)構(gòu)，為后期施加提供位置標(biāo)識。

3 六片斜葉圓盤渦輪攪拌器的模態(tài)分析

參照攪拌器的實際工況可知，攪拌器由兩側(cè)的軸承固定約束，軸承有一定的剛度和阻尼。而在 ANSYS Workbench中的模態(tài)分析環(huán)節(jié)，一般選用計算方法的為線性計算方法，即忽略阻尼對攪拌器系統(tǒng)影響，因此對攪拌器系統(tǒng)的軸承處施加圓柱約束，保證攪拌器符合實際工況條件下的約束。參考該攪拌器的額定轉(zhuǎn)速，對整體斜葉圓盤渦輪攪拌器施加相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度，該型號的六片斜葉圓盤攪拌器的額定轉(zhuǎn)速n為1500r/min，即則157rad/s，f=n/60=25Hz。設(shè)定求解變形量和應(yīng)力值并進(jìn)行求解計算。所得靜力分析的結(jié)果作為模態(tài)分析的基礎(chǔ)，直接利用 ANSYS Workbench 自帶的模塊化操作，對斜葉圓盤攪拌器進(jìn)行模態(tài)分析。分析方法采用系統(tǒng)默認(rèn)的 Block Lanczos 算法，即模態(tài)疊加法。速度更快，對線性無阻尼的計算較為適合，因攪拌器的共振一般發(fā)生于低階固有頻率的共振，因此設(shè)置模態(tài)求解為前6階，經(jīng)過求解可得轉(zhuǎn)子前六階段的固有頻率。

由該六片斜葉圓盤渦輪攪拌器的額定工況可知，f=25Hz，因此工況轉(zhuǎn)速的激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該六片斜葉圓盤渦輪攪拌器的一階固有頻率，因此不會引起共振的發(fā)生。

4 結(jié)束語

（1）該六片斜葉圓盤渦輪攪拌器在額定轉(zhuǎn)速下的整體剛度變化較小，最大應(yīng)力為 0.192 MPa，對整體剛度影響較小，可以不予考慮。（2）該六片斜葉圓盤渦輪攪拌器額定工況下一階固有頻率遠(yuǎn)高于額定工況，同時其一階固有頻率也遠(yuǎn)高于該攪拌器的通過頻率，其設(shè)計符合要求。（3）基于 ANSYS Workbench 的模態(tài)分析能夠結(jié)合攪拌器的實際工況對攪拌器的固有頻率及其影響因素進(jìn)行分析，方便快捷。

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作者簡介：馬崇斌（1993-），男，漢，黑龍江鶴崗，在讀研究生，碩士，山東科技大學(xué)，研究方向：動力工程。

祁祥松（1991-），男，漢族，山東濟(jì)南，在讀研究生，碩士，山東科技大學(xué)，研究方向：機(jī)械工程。

梁之西（1993-），男，漢族，山東濟(jì)南，在讀研究生，碩士，山東科技大學(xué)，研究方向：機(jī)械工程。

王建鵬（1992-），男，漢族，山東濰坊，在讀研究生，碩士，山東科技大學(xué)，研究方向：機(jī)械工程。