基于ANSYS的高加速度旋转实验转子部件形状优化研究

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高加速度旋转实验广泛应用于高速加工制造、清洁能源、生物工程、绿色物流等诸多技术领域，以高加速度承载实验为例，其基本实验原理如图l所示。转子部件作为核心部件在运行中起着举足轻重的作用，因此对其在高加速度加载条件下使用特性分析和测试就尤为重要。而转子部件轮廓形状优化是动态特性提升的重要基矗在对于高加速度实验中的转子部件进行计算优化时，由于各旋转部件旋转半径、重量、结构及使用要求等差异会导致运行工况复杂，给转子装配轴带来复杂的应力和应变，计算难度大。计算机技术和有限元技术的发展，使机械结构获认为精确的应力计算 。这为转子推算极限受力条件下的应力、应变、优化设计、降低故障和延长使用寿命提供了理论和技术上的保障，提高了转子部件工作的可靠性3l。本文结合了ANSYS精确计算的优势，在超高稳态加速度条件下，进行转子部件的形状优化研究。

图1 高加速度旋转实验系统原理简图及仿真模型图1 转子部件外轮廓优化研究1.1转子部件外轮廓优化研究本文所涉及的高加速度实验以质量250g左右的固体为实验对象，径向尺寸为80mm，承载加速度值为150000g，转速为57540r/min，角速度为6062rad/s。综合考虑材料的密度、许用应力、加工难易度等因素，选用TC4合金作为分析对象，其密度是4450kg/m ，弹性模量为110GPa，泊松比为0.34，许用应力极值为830MPa。

在设定工作条件下对方案进行有限元方法的分析，计算极限受力条件下转子部件的应力和应变。为减少实体建模的工作量，减少单元数量，降低模型求解工作量，相关模型都取其1/8作为分析对象。

1.1.1标准等厚转子部件计算结果分析标准等厚度圆盘是常规的转子部件形式，并在各级速度旋转实验中广泛应用。因此本文设定转子外轮廓优化基础形式为等厚度标准圆盘，作为优化的对比基矗在ANSYS环境对常规等厚度圆盘转子部件进行计算分析，其等效应力及应变如图2、图3所示。

收稿日期：2013-04-17作者简介：王成林 (1979-)，男，黑龙江人，副教授，博士，研究方向为工程装备设计。

第35卷 第6期 2013。06(上) [1151 、I lI8 化果略优于轴截面为椭圆形的转子部件。 根据10组实验结果获得的应力极值变化趋势通过以上实验可知，将转子质量向回转中心集中可以起到明显的优化效果。

1.2转子部件变厚度设计影响因素研究在确定转子部件的质量向回转中心处集中是- 个可行的优化方向的基础上，进-步讨论转子质量的中心集中对转子的力学性能的具体影响情况。优化转子外轮廓应遵循尽量避免应力集中，同时应该易于加工，便于控制加工精度等原则。

轴截面为椭圆形的圆盘在加工上较复杂，不如平面易于加工。同时外轮廓的圆弧面和斜面相切 ，可以进-步降低转子的局部应力集中的情况发生。综上，在图l0所示的图形基础上进行优化，制定10组相关实验，以中心最大厚度及边缘最小厚度来显示转子部件的质量集中程度，基本数据如表1所示。

表1 外轮廓优化实验基本参数名称 最大厚度(mm) 最旭度(mm) 质量(g) 惯性矩(Iz)实验1 12 8.4 249.6o 222.42实验2 l3 8 249.87 210.14实验3 14 7-4 250.82 203.23实验4 15 7 248.83 19238实验5 16 6-4 248.02 182.93实验6 18 5.4 253.07 171.96实验7 20 3.6 252.93 153-32实验8 22 3 253.80 146.81实验9 24 2 251.83 136.73实验lO 26 1.6 253.05 133.47下面选择实验1进行计算及分析。转子形状如图l3所示。

～ 图13 实验191"轮廓及尺寸图该方案应力和应变计算结果如图l4和图l5所图14 等效应力云图 图l5 等效应变云图如图16所示。

图16 最大厚度与应力极值关系图通过该实验得出，优化转子部件外形轮廓可以有效地改善转子部件的力学性能，但是当质量向回转中心集中到-定程度后，继续进行质量集中对于力学性能的影响不大。因此，应在满足材料属性和实验要求的前提下，结合成本、加工难易程度、实验等多种因素进行合理选择。

2 质量非连续分布的高速转子力学特性分析由于功能需要，在高速转子上加工的安装孔会使转子的应力分布更加复杂，通过ANSYS进行有限元实体建模，结合正交实验法可分析安装孔回转半径值、孔深、孔半径等参数对转子力学特性的影响。选定应力极值和转子变形量作为评价指标，使用正交实验法分析个参数影响，确定水平数为5，具体水平数值如表2所示。

表2 水平数值分布表 单位：mm影响因素 水平值1 水平值2 水平值3 水平值4 水平值5孔深(A) 14 12 10 8 6孔直径(B) 4 6 8 10 l2回转半径(C) 14 l8 22 26 30由于这几个因素之间存在相互作用，需要设置相关选项，即AB、AC、BC，分析时采用的标准圆盘厚度为20mm，回转半径为40mm，选用材料为仍TC4钛合金，材料属性不变。

根据因素数值选择正交表L (56)，按照此表简历实验测试表，具体安排以及计算结果如表3所示 。

表3 测试参数及计算结果应力极值 应变极值 实验号 A B AB C AC BC(Mpa) (Mpa)l l 1 1 1 1 1 327 0.0172 1 2 2 2 2 2 339 0.01723 1 3 3 3 3 3 331 0.01754 1 4 4 4 4 4 283 0.01815 l 5 5 5 5 5 265 0.01686 2 1 2 3 4 5 287 O.O167第35卷 第6期 2013-06(上) [1171务l 訇 化续表37 2 2 3 4 5 1 284 0.01668 2 3 4 5 1 2 227 0.01679 2 4 5 1 2 3 343 0.0l82lO 2 5 l 2 3 4 312 0.0192I1 3 1 3 5 2 4 223 0.0165l2 3 2 4 1 3 5 34l 0.017l3 3 3 5 2 4 1 331 O.017ll4 3 4 1 3 5 2 314 0.0176l5 3 5 2 4 1 3 269 0.018l6 4 1 4 2 5 3 332 0.0162l7 4 2 5 3 l 4 30Ho 0.0166l8 4 3 l 4 2 5 274 0.0165l9 4 4 2 5 3 1 237 0.016220 4 5 3 1 4 2 340 0.01762l 5 1 5 4 3 2 2l8 0.016522 5 2 1 5 4 3 223 0.016423 5 3 2 1 5 4 320 0.016924 5 4 3 2 1 5 291 0.016925 5 5 4 3 2 1 281 0.0171选第1、13、25组应力及应变云图作为参考，如图17所示。

(c)第13组等效应力云图 (d)第13组径向应变云图- w - (e)第25组等效应力云图图17 非通孔等效应力云图和径向变形云图根据计算结果获得的孔深对应力极值的影响如图18所示。

305，” - - - - - - - - - - ， - 2752656 8 10 l， 14-，图18 孔深与应力极值的对应关系图随着孔深的增加应力极值也在增大，但是没有呈现线性关系。在初始阶段应力极值增加比较快，当孔深达到-定程度后，应力极值的增加幅度明显降低，孔深的影响主要体现在两个方面，首先孔深增加减小了转子的回转质量 ，降低 了1 181 第35卷 第6期 2013-06(上)转子的应力极值，但同时减小了该区域的受力面积，改变了原有的应力分布而形成应力集中，并且孔深增加改变了孔径向外侧的变形情况，使剪应力值增加，因此应力极值呈现增加的变化趋势。

根据计算结果获得的孔直径对应力极值的影响如图19所示。

图19 孔直径与应力极值的对应关系图随着孔直径的增加应力极值也相应地增大，虽然孔直径的增加减小了该区域的回转质量，但由于受力面积减小，应力集中值提高。

随着回转半径的增加，应力极值下降，这主要是因为由于转子回转中心存在应力集中，如果增加回转半径会使安装孔远离应力极值区域，使安装孔周围的应力集中值降低。根据计算结果获得的回转半径对应力极值的影响如图20所示。

图20 回转半径与应力极值的对应关系3 结论在给定的实验条件下，通过ANSYS软件平台对高加速度旋转实验的转子部件进行应力及应变分析，得出高加速度旋转实验的转子部件外轮廓变厚度优化方向，对转子部件进行回转中心质量集中可以有效的改善转子的力学性能，随着质量集中的程度进-步加深，力学性能改善效果逐步趋于缓和；对于影响转子部件力学性能的重要因素，以非通安装孔为例，对转子盘的影响如下：随着孔深的增加，应力极值也增加：随孔径的增加，应力极值也增加；随着回转半径的增加，应力极值呈现下降的趋势。