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軸流風葉以其風量大的特性，在空調室外機中得到廣泛運用。隨著空調產品對冷凝器換熱性能要求的不斷提高，軸流風機運行轉速也隨之提高，這就對軸流風葉的強度提出了更高的要求。在實際使用中，軸流風葉葉片因高速運轉而撕裂和破碎現象比較常見。行業中通常以高速運轉實驗來對軸流風葉進行強度分析，即風葉以實際使用最高轉速的2-3倍運行5、10分鐘，以風葉是否出現結構損壞為標準來檢驗軸流風葉的強度。
針對空調產品用軸流風葉的破裂問題，對風葉強度的影響因素進行了分析，并基于有限元分析對軸流風葉進行結構優化，有效解決其破裂問題，提高風葉強度，增強空調產品市場競爭力。
某空調用軸流風葉在高速運轉時葉根出現斷裂，導致整個風葉破碎，破裂樣件如圖所示。風葉材料為AS-GF20，材料密度1.16kg/mm，材料最大許用拉伸強度極限為108MPa，破裂轉速n=2200 rpm。軸流風葉在旋轉時，葉片主要受到離心力和由氣流引起的氣動載荷的作用。離心力所產生的應力對葉片產生拉伸作用，在葉片頂端為零，向葉根逐步增大，在葉根處達到最大值。氣動載荷引起的應力h來源于風葉旋轉時與空氣的相互作用，大小主要由葉片的葉型決定，氣動載荷對葉片產生彎曲作用，在葉片根部達到最大值。因此，風葉破裂的原因為葉片根部所受應力超過其材料的強度極限，為找到風葉破裂具體原因，本研究利用有限元方法分析了風葉強度，還分別分析了對風葉在氣動載荷和離心力載荷下的受力情況。
為確定軸流風葉在高速運轉時氣動載荷產生的應力大小，本研究通過采用流固耦合方法，利用Fluent葉算風葉在旋轉時葉片所受的氣動載荷，將計算得到的氣動載荷結果加載到workbench靜力學模塊中求解應力大小。計算得到風葉正面和背面在2200 rpm轉速下的壓力分布如圖所示。將氣動載荷計算結果導入ANSYS Workbench中，建立起風葉旋轉時的流固耦合仿真模型。通過計算，在氣動載荷下風葉所受最大應力為2MPa，應力分布云圖如圖所示。從流固藕合仿真結果可以看出，氣動載荷下的最大應力2MPa遠小于材料的屈服強度108MPa，可忽略不計，因此風葉旋轉時的氣動載荷不是引起風葉破裂的主要原因。
專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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