某轨道交通空调风机总成的分析与研究

摘    要：针对某轨道交通的空调风机总成，利用前处理软件HyperMesh对整个风机总成进行网格划分，之后利用HyperWorks仿真平台的有限元求解器OptiStruct对该风机总成进行分析。分析结果表明，在离心力和冲击载荷作用下，风机总成的各个部件都没有超过材料屈服强度，满足设计要求。

关键词：HyperMesh;空调风机;OptiStruct;强度;

0 引言

轨道交通是城市交通系统的主要组成部分，不但承载输送乘客的职能，而且要在高低温环境下保证客舱内的舒适性，因此空调系统发挥着重大作用。地铁空调系统主要由空调机组、风道、送风格栅及控制装置等组成。其中空调机组不但要调节空气的温度和湿度，提供舒适环境，而且要保证高可靠性。而空调机组内风机的可靠性直接影响了整个空调机组的正常运行。因为在空调运行过程中，空调风机长期处于运行状态，加上其转速高，车辆运行过程中还有惯性加速度的冲击，因此在整个轨道交通空调系统中，空调风机属于易发生故障的总成，因此有必要在设计时对其进行结构强度方面的分析研究和验证[1]。

本文利用HyperMesh建立某轨道交通空调风机总成的有限元模型，利用HyperWorks仿真平台有限元求解器OptiStruct对风机总成在设计工况下进行强度分析，根据分析结果，判定设计方案的可靠性和合理性。

1 空调风机总成的有限元模型建立

1.1 三维模型建立

利用三维设计软件SolidWorks进行某轨道交通空调风机三维总成的几何实体建模，如图1所示。HyperMesh可以提供各种主流三维模型的导入接口，由于是装配件总成，为了防止模型几何数据的丢失，将模型按照国际标准化组织(ISO)所属技术委员会制订的国际统一CAD数据交换标准导出为.STEP格式。

1.2 网格划分标准

在将.STEP格式的三维CAD模型通过HyperMesh的import导入功能加载到软件界面之前，选择求解器模块为OptiStruct, 后面所有的操作都将以HyperWorks的OptiStruct求解器为模板[2,3,4]。薄壁板件将采用壳单元进行划分，铸件一般采用体单元进行处理。为了更好地适应复杂几何形状，提高单元质量，面网格一般采用三角形和四边形混合方式，体网格采用六面体网格和金字塔网格Pyramid5,螺栓连接采用Rbe2+Beam方式进行连接。根据模型尺寸及最小特征尺寸，单元尺寸总体定义为：平均尺寸10 mm, 不允许单元尺寸低于2 mm或高于20 mm, 单元长宽比不得大于5。单元质量控制标准如图2所示。对风机总成进行有限元网格划分后对网格质量进行检查，包括最大最小角、雅克比、网格叠加性、连续性等，并对不合格网格进行优化调整，最终该轨道交通空调风机总成的有限元模型共有72 567个节点、55 171个单元，风机的有限元模型如图3所示，局部放大图如图4所示。

图1 某轨道交通空调风机总成三维模型

1.3 属性设定

对风机总成模型进行网格划分后，根据单元类型建立壳单元及体单元属性，壳单元需要定义其厚度，之后对其各个部件进行材料属性的建立和设置。HyperMesh中有强大的材料属性卡片，可以建立各种线性、非线性、各向同性、各向异性等材料。风机总成各部件的材料均为304不锈钢，本文主要针对风机总成的强度进行分析计算，因此采用线性材料，计算中用到的材料属性如表1所示。

1.4 约束及载荷

1.4.1 约束

叶轮与轮毂的螺栓连接之间定义接触以模拟实际情况，其他部位螺栓连接采用rigid+beam, 叶轮与轮毂螺栓连接放大图如图5所示；对风机总成框架安装孔进行固定约束，约束其安装孔的6个自由度，固定约束如图6所示。

图2 有限元单元质量标准  

图3 轨道交通空调风机总成有限元模型  

图4 轨道交通空调风机总成局部有限元模型 

表1 轨道交通空调风机总成材料属性

1.4.2 工况载荷

工况为空调风机正常工作下的额定工况，风机转速为25 r/s, 会对叶轮和轮毂产生离心力，利用RFORCE卡片进行离心力加载；考虑到轨道交通行驶过程中的转弯及颠簸情况，转弯+颠簸过程有加速度冲击，施加 X、Y、Z三个方向的冲击加速度分别为5g、1g、3g。

2 分析结果

本文利用HyperWorks仿真平台的OptiStruct求解器对该轨道交通空调风机总成进行求解。OptiStruct是Altair公司一款功能非常强大的通用结构分析求解器，被广泛应用于线性和非线性结构分析，适用于多个学科，包括静力学和动力学、振动、声学、疲劳和多物理场。同时OptiStruct与HyperMesh可以实现无缝衔接，载荷和约束设置完毕后，在HyperMesh中建立Load Step工况后，就可以提交计算，计算结果在后处理软件HyperView中进行查看。图7～图11分别为风机总成静态强度应力云图及各个部件的应力云图。

图5 叶轮与轮毂螺栓连接及接触

图6 轨道交通空调风机总成有限元约束边界 

图7 轨道交通空调风机总成应力云图(MPa)

图8 轨道交通空调风机框架应力云图(MPa)

从计算分析结果可以看出：轨道交通空调风机总成的最大应力为198 MPa, 出现在空调风机的框架上，位于框架与电机支架的螺栓连接处；电机支架的最大应力为122.1 MPa, 出现在支架折弯处；风机叶轮的最大应力为142.1 MPa, 出现在每个叶轮的根部；风机轮毂的最大应力为26.53 MPa, 出现在轮毂与叶轮的螺栓连接处。所有部件的最大应力均未超过材料的屈服强度205 MPa, 满足设计要求。

图9 轨道交通空调风机电机支架应力云图(MPa)

图10 轨道交通空调风机叶轮应力云图(MPa)

3 结论

文章以某轨道交通空调风机总成为研究对象，运用SolidWorks建立了几何模型，利用HyperMesh建立了有限元模型，考虑风机转动离心力和冲击加速度载荷，用OptiStruct求解器进行了静态结构强度分析。分析结果表明，各部件最大应力均未超过材料屈服强度。

图11 轨道交通空调风机轮毂应力云图(MPa) 

参考文献

[1] 韩晓明.轨道交通车辆空调系统的原理和发展方向[J].装备机械，2015(1):57-62.

[2] 王钰栋，金磊，洪清泉，等.HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3] 李楚琳.HyperWorks分析应用实例[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4] 欧贺国，方献军，洪清泉，等.RADIOSS理论基础与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2013.

文章来源：机械工程与自动化. 2023(02)