基于Patran和MSC Nastran的某空压机第1级叶轮强度分析及结

空压机是能源、化工等国家支柱产业的重要机械设备，叶轮作为空压机实现能量转换的核心部件，其强度性能的好坏直接关系到空压机运行的安全可靠性。

高松，等：基于Patran和MSCNastran的某空压机第1级叶轮强度分析及结构优化313大型空压机叶轮通常采用焊接结构。当焊接工艺控制不严时，容易形成焊接缺欠，降低承载能力，产生应力集中，降低疲劳强度。加之其工作环境恶劣，容易造成叶轮焊件产生裂纹甚至断裂故障。本文基于Patran和MSCNastran对某型空压机第1级叶轮进行强度计算和结构优化。

1叶轮概况1.1叶轮设计参数空压机的第1级叶轮由叶片、盖盘和轴盘等3叶轮制造模型部分组成。叶轮采用焊接结构，其焊接顺序是先将叶片与盖盘进行焊接，随后与轴盘进行焊接。叶轮的叶片、盖盘和轴盘的材料均为FV502B；密度为7 850 2叶轮的力学模型kg/m3，泊松比为0. 27，弹性模量为2.试验屈服强度2为919~1068MPa，抗拉强度1.2叶轮设计模型根据第1级叶轮轴盘、盖盘及叶片的设计尺寸和焊接技术要求，建立设计条件下的叶轮的三维实体模型，见。叶片与轴盘、盖盘焊接良好，焊缝倒圆取设计值。

采用Patran建立第1级叶轮设计模型和制造模型的三维有限元模型，见。因制造模型存在未焊透的区域，且叶轮结构较为复杂，采用四面体十节点单元（TET 10）建立叶轮的三维有限元力学模型，叶轮模型总共约80万个单元，120万个节点。

1.3叶轮制造模型在叶轮制造完成后，对焊缝区域进行检验。叶片与轴盘、叶片与盖盘的大部分焊缝区域未焊透，且焊缝倒圆的*小值比设计值减小了约5mm，*大值比设计值增大了约2mm.考虑到实际未焊透区域形貌复杂，对未焊透区域进行简化，在焊缝内建立1mmx6mm的矩形区域模拟叶轮未焊透状态，见。

采用弹塑性有限元法M对第1级叶轮不同模型在工作转速下的离心应力进行计算分析，材料属性设置为理性弹塑性材料，求解类型选择求解精度高、运算速度快、适用于材料弹塑性的隐式非线性（SOL 400），生成的bdf文件提交给MSCNastran进行计算，计算结果调入Patran读取计算结果，计算得到的应力值均为等效应力。对于复杂应力状态下的带有塑性金属材料，采用弹塑性方法进行应力分析是科学合理的13，强度条件和屈服准则采用目前机械工程界广泛认可并采用的第四强度理论0.计算机辅助工程3计算结果和分析3.1叶轮设计模型计算结果叶轮设计模型在工作转速下的离心应力计算结果见。由可知，叶轮的*大离心应力位于长叶片进气边端部与轴盘焊缝倒圆处，该处距轴盘内表面约15mm，*大离心应力为970MPa，该部位及周边区域材料发生屈服；长叶片与盖盘焊缝区域的*大离心应力位于叶片进气边端部与盖盘焊缝倒圆处，该处距盖盘内表面约15mm，离心应力约为916MPa；短叶片与轴盘焊缝区域的*大离心应力位于叶片进气边端部与轴盘焊缝倒圆处，该处距轴盘内表面约14mm，离心应力约为883MPa；短叶片进气边端部与盖盘焊缝倒圆处的离心应力较小，约为438MPa.（a）进气侧离心应力（b）*大离心应力区域叶轮设计模型离心应力3.2叶轮制造模型计算结果制造模型在工作转速下的离心应力计算结果见。由可知，叶轮的*大离心应力位于短叶片进气边端部与轴盘焊缝倒圆处，*大离心应力为1020MPa；长叶片与轴盘焊缝区域的*大离心应力位于叶片进气边端部与轴盘焊缝倒圆处，离心应力约为998MPa；长叶片与盖盘焊缝区域*大离心应力位于叶片进气边端部与盖盘焊缝倒圆处，该处距盖盘内表面约8mm，离心应力约为982MPa；此二处及周边局部区域材料已发生屈服；短叶片进气边端部与盖盘焊缝倒圆处的离心应力较小，约为432MPa.制造模型*大离心应力区域3.3叶轮计算结果分析（1）第1级叶轮的设计模型和制造模型在叶片进气边与轴盘、盖盘的焊缝倒圆处均存在着高应力区域。

（2）叶轮设计模型在运行时的*大离心应力发生在长叶片进气边端部与轴盘焊缝区域，材料在该区域进入屈服状态，该区域*大应力为970MPa，与材料抗拉强度的试验平均值1066MPa仅相差9%，第1级叶轮的强度设计安全裕量不足。

（3）制造叶轮在运行时的*大离心应力发生在短叶片进气边端部与轴盘焊缝区，该处及周边区域材料已发生屈服，该区域的*大应力为1接近叶片材料抗拉强度的试验平均值1066MPa，结果表明，焊接缺陷的存在增大高应力区及屈服区的离心应力，易导致叶片在进气边与轴盘、盖盘焊缝处发生解裂。

4叶轮结构优化为提高叶轮设计模型的强度安全裕量，增大高离心应力区域的焊缝倒圆，对其结构强度进行优化。

优化后的叶轮在工作转速下的离心应力分布见。由可知，*大离心应力位于长叶片进气边端部与轴盘焊缝倒圆处，离心应力为864MPa，此时，叶轮无任何部位发生屈服，应力水平在材料的弹性范围内；短叶片与轴盘焊缝区域的*大离心应力位于叶片进气边端部与轴盘焊缝倒圆处，离心应力为804MPa；长叶片与盖盘焊缝区域的*大离心应力位于叶片进气边端部与盖盘焊缝倒圆处，离心应力高松，等：基于Patran和MSCNastran的某空压机第1级叶轮强度分析及结构优化315为722MPa；短叶片进气边端部与盖盘焊缝区域的离心应力水平较低，*大离心应力为450MPa.（a）进气侧离心应力（b）*大离心应力区域叶轮优化模型的离心应力5结论通过对某型空压机第1级叶轮的设计模型、制造模型和优化模型的结构强度分析，可以得到以下结论：（1）原设计模型和制造模型均在长叶片进气边端部与轴盘焊缝倒圆处存在高应力区域，且发生塑性变形；叶轮设计模型的*大应力为970MPa，与材料抗拉强度的试验平均值1066MPa相差9%，强度设计安全裕量不足。

（2）优化后叶轮模型的高离心应力区域未发生塑性变形；优化模型的*大应力为864MPa，与材料抗拉强度相差19%，安全裕量提高1倍。

（3）应提高叶片与轴盘、盖盘的焊接质量，并加强叶片与轴盘、盖盘焊缝的检测，发现焊接缺欠应及时进行消除，避免产生应力集中而降低叶轮的安全裕量。