叶轮有限元分析报告
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有限元法分析与建模
课程设计报告
报告题目 ：基于ANSYS Workbench的叶轮结构强度和振动模态分析
学 院 ：机械电子工程学院
指导教师 ：
学生及学号：
摘 要
涡轮增压器是一种高速回转的叶片机械，一旦出现故障，特别是运动部分发生故障，将导致整个增压器在极短时间损坏。随着涡轮增压器压比及转速的不断提高，增压器转子叶轮部分的结构可靠性分析变得愈为重要。对某型号增压器叶轮系统使用Catia建立简化的模型，并使用ANSYS Workbench有限元分析软件对叶轮系统进行静强度分析，得到最大应力与转速的曲线。以及对叶轮预应力振动模态分析，得到叶轮的自振频率和振型。为涡轮增压器叶轮系统的优化设计和动力学分析提供依据。
第1章 引言
1.1 有限元法及其优越性
有限元法将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。
由于有限元法处理问题的特点，使其具有独特的优越性。主要表现在以下几个方面：有限元法能分析形状复杂的结构，能够处理复杂的边界条件，能够保证规定的工程精度，能够处理不同类型的材料[1]。
1.2 ANSYS Workbench及其优点
ANSYS Workbench整合ANSYS各项顶尖产品，简单快速地进行各项分析及前后处理操作。ANSYS Workbench提供与各种三维软件双向即时互动的强结能力及方便迅捷的设计流程，可以协助设计开发者轻易发挥CAE对设计流程最大的贡献。ANSYS Workbench与CAD系统的实体及曲面模型具有双向连结，其导入CAD几何模型之高度成功率，可大幅降低除错时间且缩短设计与分析。鉴于其优越的处理能力，本文选择其作为处理问题的工具。
第2章 叶轮强度计算
2.1 静强度分析
静强度分析研究结构在常温条件下承受载荷的能力，通常简称为强度分析。静强度除研究承载能力外，还包括结构抵抗变形的能力（刚度）和结构在载荷作用下的响应（应力分布、变形形状、屈曲模态等）特性。
静强度分析包括下面几个方面的工作。
1校核结构的承载能力是否满足强度设计的要求，其准则为： 若强度过剩较多，可以减小结构承力件尺寸。对于带裂纹的结构，由于裂纹尖端存在奇异的应力分布，常规的静强度分析方法已不再适用，已属于疲劳与断裂问题。
Keywords:Turbocharger, Impeller, FEM, Static strength analysis,Modal analysisБайду номын сангаас
第1章 引言1
1.1 有限元法及其优越性1
1.2 ANSYS Workbench及其优点1
1.3 问题的工程背景1
第2章 叶轮强度计算2
2.1 静强度分析2
2.2 静强度分析步骤2
2.3 材料特性定义4
2.4 网格划分5
2.5 载荷和约束施加8
2.6 计算结果及分析9
2.6.1 叶轮应力分析9
2.6.2 叶轮应变与变形14
第3章 叶轮振动模态计算16
3.1 叶轮的振动与模态16
3.2 带预应力模态分析步骤16
3.3 计算结果与分析18
第4章 总结20
参考文献21
ANSYS Workbench具有强大的装配体自动分析功能，自动化网格划分功能，协同的多物理场分析环境及行业化定制功能，快捷的优化工具DesignXplorer等[2]。
1.3 问题的工程背景
涡轮增压器压气机是一种高速回转的叶片机械，一旦出现故障，特别是运动部分发生故障，将导致整个增压器在极短时间损坏[3]。随着涡轮增压器压比及转速的不断提高，增压器转子叶轮部分的结构可靠性分析变得愈为重要。车用涡轮增压器的工作转速一般为100000r/min，最高达近260000r/min。叶轮的高速旋转造成应力过大导致低周疲劳、一次性强度破坏以及叶轮振动引起的损坏是增压器叶轮损坏的主要原因。本文运用大型通用有限元分析软件 ANSYSWorkbench，对某型号涡轮增压器叶轮进行了静强度分析以及预应力振动模态分析，分别得出最大应力与转速关系和自振频率和振型，为叶轮的动态特性设计和动力学分析提供了理论依据。
关键词：涡轮增压器 叶轮 有限元法 静强度分析 模态分析
ABSTRACT
The turbocharger is a high-speed rotating blademechanic, once a failure, especially moving parts failure will cause the entire turbocharger damage in a very short time. With the continuous improvement of the turbocharger pressure ratio androtationalspeed, turbocharger impeller rotor structure reliability analysis become more important. The use of a certain type of turbocharger impeller systembyCatia establish a simplified model, and the use of finite element analysis software ANSYS Workbenchanalysistheimpeller system static strength ,get a correlative curve with maximumstress and speed. And the impeller prestressed Modal analysis,gettheimpeller natural frequencies and mode shapes. Provide the basis for optimizing the design and dynamics analysis turbocharger impeller system.
课程设计报告
报告题目 ：基于ANSYS Workbench的叶轮结构强度和振动模态分析
学 院 ：机械电子工程学院
指导教师 ：
学生及学号：
摘 要
涡轮增压器是一种高速回转的叶片机械，一旦出现故障，特别是运动部分发生故障，将导致整个增压器在极短时间损坏。随着涡轮增压器压比及转速的不断提高，增压器转子叶轮部分的结构可靠性分析变得愈为重要。对某型号增压器叶轮系统使用Catia建立简化的模型，并使用ANSYS Workbench有限元分析软件对叶轮系统进行静强度分析，得到最大应力与转速的曲线。以及对叶轮预应力振动模态分析，得到叶轮的自振频率和振型。为涡轮增压器叶轮系统的优化设计和动力学分析提供依据。
第1章 引言
1.1 有限元法及其优越性
有限元法将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。
由于有限元法处理问题的特点，使其具有独特的优越性。主要表现在以下几个方面：有限元法能分析形状复杂的结构，能够处理复杂的边界条件，能够保证规定的工程精度，能够处理不同类型的材料[1]。
1.2 ANSYS Workbench及其优点
ANSYS Workbench整合ANSYS各项顶尖产品，简单快速地进行各项分析及前后处理操作。ANSYS Workbench提供与各种三维软件双向即时互动的强结能力及方便迅捷的设计流程，可以协助设计开发者轻易发挥CAE对设计流程最大的贡献。ANSYS Workbench与CAD系统的实体及曲面模型具有双向连结，其导入CAD几何模型之高度成功率，可大幅降低除错时间且缩短设计与分析。鉴于其优越的处理能力，本文选择其作为处理问题的工具。
第2章 叶轮强度计算
2.1 静强度分析
静强度分析研究结构在常温条件下承受载荷的能力，通常简称为强度分析。静强度除研究承载能力外，还包括结构抵抗变形的能力（刚度）和结构在载荷作用下的响应（应力分布、变形形状、屈曲模态等）特性。
静强度分析包括下面几个方面的工作。
1校核结构的承载能力是否满足强度设计的要求，其准则为： 若强度过剩较多，可以减小结构承力件尺寸。对于带裂纹的结构，由于裂纹尖端存在奇异的应力分布，常规的静强度分析方法已不再适用，已属于疲劳与断裂问题。
Keywords:Turbocharger, Impeller, FEM, Static strength analysis,Modal analysisБайду номын сангаас
第1章 引言1
1.1 有限元法及其优越性1
1.2 ANSYS Workbench及其优点1
1.3 问题的工程背景1
第2章 叶轮强度计算2
2.1 静强度分析2
2.2 静强度分析步骤2
2.3 材料特性定义4
2.4 网格划分5
2.5 载荷和约束施加8
2.6 计算结果及分析9
2.6.1 叶轮应力分析9
2.6.2 叶轮应变与变形14
第3章 叶轮振动模态计算16
3.1 叶轮的振动与模态16
3.2 带预应力模态分析步骤16
3.3 计算结果与分析18
第4章 总结20
参考文献21
ANSYS Workbench具有强大的装配体自动分析功能，自动化网格划分功能，协同的多物理场分析环境及行业化定制功能，快捷的优化工具DesignXplorer等[2]。
1.3 问题的工程背景
涡轮增压器压气机是一种高速回转的叶片机械，一旦出现故障，特别是运动部分发生故障，将导致整个增压器在极短时间损坏[3]。随着涡轮增压器压比及转速的不断提高，增压器转子叶轮部分的结构可靠性分析变得愈为重要。车用涡轮增压器的工作转速一般为100000r/min，最高达近260000r/min。叶轮的高速旋转造成应力过大导致低周疲劳、一次性强度破坏以及叶轮振动引起的损坏是增压器叶轮损坏的主要原因。本文运用大型通用有限元分析软件 ANSYSWorkbench，对某型号涡轮增压器叶轮进行了静强度分析以及预应力振动模态分析，分别得出最大应力与转速关系和自振频率和振型，为叶轮的动态特性设计和动力学分析提供了理论依据。
关键词：涡轮增压器 叶轮 有限元法 静强度分析 模态分析
ABSTRACT
The turbocharger is a high-speed rotating blademechanic, once a failure, especially moving parts failure will cause the entire turbocharger damage in a very short time. With the continuous improvement of the turbocharger pressure ratio androtationalspeed, turbocharger impeller rotor structure reliability analysis become more important. The use of a certain type of turbocharger impeller systembyCatia establish a simplified model, and the use of finite element analysis software ANSYS Workbenchanalysistheimpeller system static strength ,get a correlative curve with maximumstress and speed. And the impeller prestressed Modal analysis,gettheimpeller natural frequencies and mode shapes. Provide the basis for optimizing the design and dynamics analysis turbocharger impeller system.