纖維增強(qiáng)復(fù)合材料離心風(fēng)機(jī)葉輪強(qiáng)度分析與對比

李向陽 劉 淵 陳武超 鄭力雙

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局 上海 201206；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所 上海 201108)

0 引言

離心風(fēng)機(jī)是一類通用流體機(jī)械，廣泛應(yīng)用于石油化工、煤礦開采、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[1-2]。離心風(fēng)機(jī)工作時(shí)通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪提高氣體壓力并輸送氣體，因此葉輪性能對離心風(fēng)機(jī)至關(guān)重要，相關(guān)研究表明，葉輪性能主要受其材料、結(jié)構(gòu)、翼型、安裝等方面的影響[2-7]。目前離心風(fēng)機(jī)葉輪仍普遍采用鋼制或鋁制等金屬材料，金屬離心葉輪普遍存在質(zhì)量大，易腐蝕等缺點(diǎn)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種先進(jìn)的非金屬材料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、疲勞性能好、耐腐蝕、免維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，相對傳統(tǒng)的金屬材料有明顯的優(yōu)勢，是提高風(fēng)機(jī)葉輪性能的理想材料。

姜炎使用全玻璃鋼離心風(fēng)機(jī)替代銹蝕嚴(yán)重、維修困難的金屬風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)15年后檢測發(fā)現(xiàn)：葉輪除葉片邊緣有部分破裂和個(gè)別表面有輕微破裂外，幾乎完好如初，取樣測定抗拉強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)其抗拉強(qiáng)度保留率仍有69%[8]。羅贊才等從鋪料方式、模壓成型壓力、成型溫度、壓制速度和壓制時(shí)間等方面對玻璃鋼離心葉輪產(chǎn)品質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究[4]。Dossena和X Wang等人的研究表明細(xì)微的鋪層角度變化、鋪層數(shù)量對葉片氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的存在影響[9-10]。馮消冰等運(yùn)用遺傳算法對風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行了強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)[11]。劉博等基于懸臂梁模型和葉片結(jié)構(gòu)分析程序Precomp二次開發(fā)的程序，對風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)鋪層進(jìn)行了優(yōu)化[12]。謝少軍等采用有限元法對鋪層結(jié)構(gòu)對風(fēng)力機(jī)葉片強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究，0°單層纖維鋪層對葉片強(qiáng)度的影響小于±45°單層纖維鋪層，這兩類鋪層對強(qiáng)度的影響存在一定的耦合作用[13]。鄧海龍利用ABAQUS的層合板模塊，對某1.5MW風(fēng)機(jī)葉片采用的不同的鋪層類型的方案進(jìn)行仿真分析，結(jié)構(gòu)表明雙向布[(±45°)]替代兩個(gè)單向布[+45°/-45°]可提高構(gòu)件的力學(xué)性能[14]。

由此可見，國內(nèi)外學(xué)者對復(fù)合材料葉輪類零部件進(jìn)行了相關(guān)研究，但針對復(fù)合材料離心風(fēng)機(jī)葉輪的研究報(bào)道也較少。為更好的了解纖維增強(qiáng)復(fù)合材料離心風(fēng)機(jī)葉輪的性能特性，本文通過CATIA、Hypermesh、Abaqus等工具建立離心葉輪的有限元模型，并對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料離心葉輪進(jìn)行了詳細(xì)的鋪層設(shè)計(jì)。首先對不同材料的離心葉輪性能進(jìn)行對比分析，然后對不同鋪層方案的葉輪性能進(jìn)行研究，以期相關(guān)的結(jié)果和設(shè)計(jì)方法對今后的研究或生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的借鑒意義。

1 離心風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)

離心風(fēng)機(jī)葉輪是離心風(fēng)機(jī)的核心部件，主要由輪盤、葉片、輪蓋等組成，并通過輪盤和軸以各種方式進(jìn)行連接。本文的離心風(fēng)機(jī)葉輪參數(shù)如表1，并在CATIA中建立CAD模型。

為研究不同材料和不同鋪層的離心葉輪的性能，設(shè)計(jì)了多種離心葉輪，鋼制葉輪為單一材料，設(shè)計(jì)參數(shù)相對較少，在結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)確定后，便基本確定，設(shè)計(jì)相對簡單。復(fù)合材料葉輪變量較多，往往其設(shè)計(jì)是一個(gè)往復(fù)的過程。基于上述葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，首先選擇材料為威海光威生產(chǎn)的G20000單向玻璃纖維預(yù)浸料和USN15000單向碳纖維預(yù)浸料，兩種材料的單層厚度分別為0.2 mm、0.14 mm。因此玻璃纖維葉輪鋪層厚度為40層，碳纖維葉輪鋪層厚度為56層，鋪層方案分別采用[0°/±45°/90°]、[0°/90°]、[60°/0°/-60°]等3種不同鋪層角度(以下分別以方案一、方案二、方案三表示)，并按對稱鋪層的方式鋪放，其中輪盤和輪蓋沿徑向?yàn)?°方向，周向?yàn)?0°方向，葉片以徑向?yàn)?°方向，寬度方向?yàn)?0°方向。表2為三種材料葉輪的質(zhì)量，從中可以看出玻璃纖維葉輪與碳纖維葉輪在結(jié)構(gòu)尺寸相同的情況下，質(zhì)量明顯小于鋼制葉輪。

表1 離心風(fēng)機(jī)葉輪參數(shù)表

圖1 離心風(fēng)機(jī)葉輪CAD模型

鋼制葉輪玻璃纖維葉輪碳纖維葉輪91.721.017.4

2 離心風(fēng)機(jī)葉輪的有限元模型

2.1材料特性

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，本文共涉及三種材料：鋼、G20000單向玻璃纖維預(yù)浸料、USN15000單向碳纖維預(yù)浸料，其材料性能參數(shù)見表3和表4。

表3 鋼的材料性能

表4 G20000和USN15000的材料性能

2.2有限元模型

網(wǎng)格劃分：將CATIA中建立好的葉輪CAD模型導(dǎo)入到Hypermesh進(jìn)行詳細(xì)的網(wǎng)格劃分，得到準(zhǔn)確、合理的網(wǎng)格模型后導(dǎo)入Abaqus中，網(wǎng)格類型采用S8R。

圖2 網(wǎng)格模型

載荷施加：離心葉輪運(yùn)行時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，主要受到因高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力和氣體通過葉輪時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷。由于離心葉輪的氣動(dòng)載荷相對離心載荷對強(qiáng)度的影響較小，因此本文在Abaqus有限元工具中，通過添加材料密度和施加繞葉輪回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速形成的旋轉(zhuǎn)體力對離心載荷進(jìn)行模擬，而忽略氣動(dòng)載荷。

邊界條件：離心葉輪工作時(shí)，通過輪盤與軸進(jìn)行連接，結(jié)合載荷的施加方式，對輪盤內(nèi)徑施加固定約束。

圖3 載荷及邊界條件

3 結(jié)果分析

3.1不同材料葉輪性能對比分析

經(jīng)有限元計(jì)算得到鋼制葉輪等效(Von-Mises)應(yīng)力、G20000玻璃纖維葉輪和USN15000碳纖維葉輪的蔡-吳失效系數(shù)(以[0°/±45°/90°]為例)如圖4、圖5及圖6。從圖4中可以看出鋼制葉輪的最大應(yīng)力位于輪盤、輪蓋與葉片出口的交接處，最大應(yīng)力為330 MPa，其次，輪蓋與葉片進(jìn)口交接處的應(yīng)力也相對較大，所選鋼材的屈服應(yīng)力為590 MPa，其安全系數(shù)約為1.7。從圖5中可以看出，玻璃纖維葉輪的最大蔡-吳失效系數(shù)為0.986，已十分接近極限值1。從圖6中可以看出，碳纖維葉輪的在1800 rpm的工況下，其最大蔡-吳失效系數(shù)為0.229，位置位于輪蓋與葉片進(jìn)口的交接處，其次輪盤、輪蓋與葉片出口的交接處的蔡-吳失效系數(shù)也相對較高。復(fù)合材料的安全系數(shù)通常以強(qiáng)度比R來表征，R定義見式1，當(dāng)使用蔡-吳失效判據(jù)時(shí)，R可使用式2進(jìn)行計(jì)算[15]，因此在Abaqus中提取各項(xiàng)應(yīng)力分量，計(jì)算得到強(qiáng)度比為4.4，表明有足夠的安全裕度。

(1)

式中：σi-施加的應(yīng)力分量；

σi(a)-對應(yīng)于σi的極限應(yīng)力分量。

圖4 鋼制葉輪等效(Von-Mises)應(yīng)力

圖5 玻璃纖維葉輪蔡-吳失效系數(shù)

圖6 碳纖維葉輪蔡-吳失效系數(shù)(方案一)

鋼制葉輪玻璃纖維葉輪碳纖維葉輪安全系數(shù)1.714.4

(2)

其中：

B=F1σ1+F2σ2

離心葉輪是高速旋轉(zhuǎn)部件，除離心力作用下的應(yīng)力應(yīng)變分析外，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，離心葉輪的低階振動(dòng)對葉輪的安全運(yùn)行存在極大的影響，為避免共振的發(fā)生，還需進(jìn)行葉輪的動(dòng)態(tài)特性分析，通過有限元分析得到葉輪的前10固有頻率如表6。

表6 葉輪前10階固有頻率表(單位：Hz)

葉片的額定轉(zhuǎn)速為1800 rpm，表明葉輪的基頻為30 Hz，通過頻率為360 Hz，通過表6可以看出，玻璃纖維葉輪的一、二階固有頻率和葉輪的基頻非常接近，存在共振的可能，且為低階振動(dòng)，葉輪存在極大地安全隱患，鋼制葉輪與碳纖維葉輪則避免了共振的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，不同材料對離心葉輪的強(qiáng)度、固有頻率等方面存在較大的影響，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉輪在強(qiáng)度上具有較明顯的優(yōu)勢，且有足夠的安全裕度，對進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、安全性等性能具有重要意義。

3.2不同鋪層角度葉輪性能對比分析

復(fù)合材料具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，性能受諸多方面的影響，其中鋪層角度是復(fù)合材料零部件性能的重要影響因素，為研究不同鋪層角度對葉輪性能影響，分別計(jì)算了碳纖維葉輪的三種鋪層方案，得到其蔡-吳失效系數(shù)如圖6、圖7和圖8。從圖7可看出，使用[0°/90°]鋪層角度的葉輪最大蔡-吳失效系數(shù)為0.209，略小于采用[0°/±45°/90°]鋪層角度的方案一(圖6)，其最大蔡-吳失效系數(shù)位于輪盤與葉片出口的交接處，輪蓋與葉片進(jìn)口交接處的蔡-吳失效系數(shù)也相對較大。從圖8可以看出，采用[60°/0°/-60°]鋪層角度的方案三為最優(yōu)，葉輪最大蔡-吳失效系數(shù)為0.148，位置位于葉片出口的中間位置。

圖7 碳纖維葉輪蔡-吳失效系數(shù)(方案二)

圖8 碳纖維葉輪蔡-吳失效系數(shù)(方案三)

對不同鋪層方案的碳纖維葉輪進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，前10階固有頻率如表7，從中可以看出，三種鋪層方案的固有頻率均與葉輪的基頻相差較遠(yuǎn)，避免了共振的風(fēng)險(xiǎn)，且三種鋪層方案的固有頻率較為接近。

對比不同鋪層方案可以看出，采用不同鋪層角度對葉輪強(qiáng)度影響較大，而對葉輪的固有頻率影響較小。三種鋪層方案中，采用[60°/0°/-60°]鋪層角度為最優(yōu)，其最大蔡-吳失效系數(shù)僅0.148。各方案的蔡-吳失效系數(shù)分布情況，表明了葉輪的薄弱環(huán)節(jié)，為進(jìn)一步優(yōu)化提供了方向。

表7 三種鋪層方案葉輪的前10階固有頻率(單位：Hz)

4 小結(jié)

通過對不同材料和不同鋪層的離心風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其在強(qiáng)度和模態(tài)等方面存在較為明顯的區(qū)別，概括如下：

1)材料對離心葉輪的強(qiáng)度、固有頻率等方面均存在較大的影響，在額定轉(zhuǎn)速下，鋼制葉輪最大應(yīng)力為330 MPa，安全系數(shù)約為1.7；玻璃纖維葉輪最大蔡-吳失效系數(shù)已接近極限值，固有頻率與基頻非常接近；而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉輪在強(qiáng)度上具有較明顯的優(yōu)勢，顯著減輕葉輪質(zhì)量，且有足夠的安全裕度，對進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、安全性等性能具有重要意義。

2)不同鋪層方案對離心葉輪的強(qiáng)度存在較大影響，而對葉輪的固有頻率影響較小，最優(yōu)鋪層方案為采用[60°/0°/-60°]鋪層角度，并對稱鋪放，其最大蔡-吳失效系數(shù)為0.148，進(jìn)一步提高葉輪的強(qiáng)度特性。

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