軸流通風(fēng)機當其葉片較薄以及過度前掠,重心偏離葉根截面中心時,較高轉(zhuǎn)速造成的離心力和不穩(wěn)定進氣流造成的葉片升力的變化,很容易激發(fā)葉片振動。同時由于流固耦合,還可能造成葉片的馳振,使葉片提前疲勞損壞,降低風(fēng)機效率,并產(chǎn)生較大的氣動噪聲。

　　在葉輪設(shè)計時有必要對其振動模態(tài)進行計算,但葉片葉身曲面復(fù)雜,用經(jīng)典理論無法求解,因此必須借用有限元模型來計算。ANSYS是當今比較有名的有限元分析軟件之一,具有多種物理場的求解功能,可以很方便地進行模態(tài)分析;大型CAD系統(tǒng)軟件UniGraphics具有豐富的曲面造型功能,非常適合于葉輪等具有復(fù)雜曲面實體的造型,建好的實體模型導(dǎo)入ANSYS即可進行模態(tài)分析。

1 葉輪CAD模型建立和接口導(dǎo)入

　1.1  葉輪基本參數(shù)

 

　　軸流通風(fēng)機為整體注塑ABS塑料葉輪,葉片數(shù)為4,葉片較寬,葉片呈前掠狀。工作轉(zhuǎn)速為860r/min,輪轂直徑為0.147m,葉輪外徑為0.42m。

　1.2 幾何模型建立

 

　　通過三坐標測量儀測量得到葉片表面型值點,將點陣連接成曲面,并利用軟件UG的曲面剪裁和縫合功能,將葉片的曲面連接起來。一旦所有曲面被縫合就自動生成以各曲面為邊界的實體。

　　葉輪為循環(huán)對稱結(jié)構(gòu),為加快有限元分析過程,利用ANSYS的循環(huán)對稱分析功能,對一個90°基本扇區(qū)進行求解。建模時使全局坐標系的Z軸與葉輪旋轉(zhuǎn)軸線對應(yīng),建立完整葉輪模型,然后用過輪轂軸線兩個相互夾角為90°的兩個平面切出1/4的葉輪模型。

　1.3導(dǎo)入幾何模型

 

　　能夠?qū)�UG模型導(dǎo)入ANSYS的方法有3種,其中基于直接的模型數(shù)據(jù)交換的兩種是:一是通過標準的數(shù)據(jù)接口將CAD模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入分析系統(tǒng);另外是通過ANSYS為UG提供的專用接口直接讀入UG的prt文件;第三種借助UG的GFEMFEA。

　　這里采取第二種方法,在功能菜單中點擊File→Import→UG,再選取零件文件即可。

2 預(yù)處理和求解

2.1輸入材料物理參數(shù)

　　輸入ABS材料的物理性能參數(shù):密度為1.2×10-6g/mm3,彈性模量為2.3MPa,泊松比為0.38。

2.2選擇單元類型

　　葉輪表面為變厚度復(fù)雜曲面,選用10節(jié)點的四面體單元solid92,該單元采用二次位移模式,非常適合對形狀不規(guī)則的實體劃分有限元模型。為了對基本扇區(qū)的兩個間隔相對90°的輪轂的剖面劃分網(wǎng)格,還選擇了一種二維單元:MESH200單元,并設(shè)定單元形狀參數(shù)為“trianglewith6nodes”(MESH200單元是專門用來劃分網(wǎng)格,提供網(wǎng)格占位功能,不參加單元運算)。

2.3　劃分網(wǎng)格

　　先用MESH200三角形平面單元劃分輪轂上的兩個剖面的一個面上的網(wǎng)格,然后通過MSHCOPY命令將該面上的網(wǎng)格拷貝到另外一個剖面上。對整個模型用solid92單元分網(wǎng)格。

2.4　邊界條件加載

　　葉輪通過輪轂的軸心線裝配在電機軸線上,葉輪除轉(zhuǎn)動外,其它運動都被限制。所以使輪轂圓柱裝配面的有限元節(jié)點X,Z方向的自由度得到約束(在全局柱面坐標系中)。有限單元的節(jié)點都有一個坐標系與載荷方向?qū)��?yīng),在通常情況下節(jié)點坐標系與全局迪卡爾坐標系對應(yīng),負壓風(fēng)機工程,必須首先用NROTAT命令轉(zhuǎn)換節(jié)點坐標到柱面坐標系中,然后再在節(jié)點上加載位移約束。

2.5　循環(huán)對稱處理

　　循環(huán)對稱模態(tài)求解是ANSYS對循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)提供的一種特殊簡化模態(tài)求解方法,在求解前有一些特殊的預(yù)處理。

　　首先,需要選擇葉輪上下兩個剖面上的節(jié)點并建立兩個組集,取名為“Low”和“High”。其次運行CYCGEN的宏在基本扇區(qū)上建立第二個扇區(qū),模態(tài)分析就是通過這兩個扇區(qū)完成的,如果不帶參數(shù)運行這個命令,它將內(nèi)部耦合和約束方程也拷貝到第二個扇區(qū)上;如果運行CYCGEN‘,LOAD’的命令,則會把負載也拷貝到第二個扇區(qū)上。這里運行CYCGEN,‘LOAD’。

2.6　求解

 

　選用BlockLanczos為求解方法,設(shè)置求解頻率范圍為20Hz到200Hz。對于求解循環(huán)對稱模態(tài),ANSYS也提供了專用的求解宏指令(不可直接用solve命令),該指令格式為：CYCSOL,NDMIN,NDMAX,NSECTOR,LOW

　各參數(shù)含義如下:

　NDMIN、NDMAX:計算的上下節(jié)徑范圍,NDMIN最小為0,NDMAX對偶數(shù)最大可取n/2,對奇數(shù)最大可取(n-1)/2。

　NSECTOR:循環(huán)對稱的扇區(qū)數(shù),這里為4。LOW:較低角度剖面上節(jié)點構(gòu)成的組集名稱。

　該命令對應(yīng)菜單路徑:MainMenu>Solution>ModalCyclicSym。

　輸入CYCSOL,工廠降溫設(shè)備,0,2,4,LOW進行求解。

3 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對照

 

　　試驗是在葉輪安裝狀況下通過錘擊法進行的,支架剛度很大,忽略支架的影響,認為結(jié)構(gòu)在20～200Hz范圍內(nèi)的振動模態(tài)頻率由葉輪決定。試驗得到的葉輪模態(tài)頻率值為58.17Hz,83.38Hz,88.69Hz,154.8Hz;仿真得到的模態(tài)頻率值約為62Hz、80Hz、88Hz和152.2Hz。試驗檢測得出的頻率與仿真結(jié)果對應(yīng)關(guān)系較好,因此相互得到了驗證。由于振型試驗比較復(fù)雜,所以沒有進一步作振型試驗,后面將利用仿真的數(shù)據(jù)來觀察振型。

4 考慮預(yù)應(yīng)力和旋轉(zhuǎn)軟化

 

　　在真實狀況下葉輪是運動的,由于離心力和氣動載荷的影響,葉輪產(chǎn)生拉伸變形,模態(tài)有可能與靜止狀況有很大不同,所以必須予以考慮。影響旋轉(zhuǎn)件頻率變化的一種原因是由于離心力對葉片運動產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力的影響,造成了葉輪剛度的增大,使運行狀況下模態(tài)頻率升高。

　另一種原因:旋轉(zhuǎn)軟化,旋轉(zhuǎn)軟化使模態(tài)頻率降低。其原理可以用一個簡單的彈簧-質(zhì)量旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)說明,彈簧垂直于旋轉(zhuǎn)軸,當彈簧剛度很高而旋轉(zhuǎn)加速度很小時,認為彈簧變形很小。

　忽略彈簧變形對質(zhì)量塊向心加速度的影響,建立如下平衡方程:

　　kx=Mωs2r

　　(1)式中k———彈簧剛度

　　x———離開平衡位置的距離

　　ωs———旋轉(zhuǎn)角速度

　　r———質(zhì)點自由位置相對于轉(zhuǎn)軸的半徑

　　但是如果彈簧剛度不夠,同時旋轉(zhuǎn)速度又很大,由于離心力的影響使彈簧產(chǎn)生較大位移,而該位移同時又使質(zhì)點離心運動的半徑加大,這時的平衡方程寫為：

　　kx=Mωs2(r+x)(2)

　　如果仍然用(1)式的形式表示的話,其平衡方程可以寫為：

　　(k-Mωs2)x=Mωs2r

　　施加表示載荷時,其振動方程可寫為：

　　Mx-(k-Mωs2)x=f(t)

　　因此剛度由k變?yōu)?k-Mωs2),即相當于旋轉(zhuǎn)軟化作用,旋轉(zhuǎn)速度越高,旋轉(zhuǎn)物體密度越大,這種軟化作用也就越明顯。應(yīng)力剛化使模態(tài)頻率升高,旋轉(zhuǎn)軟化使模態(tài)頻率偏低,通常應(yīng)力剛化的作用偏大,所以同時考慮兩種因素影響,使運轉(zhuǎn)狀況下模態(tài)頻率比靜止狀況下模態(tài)頻率偏高。

　　為了獲得真實狀況與靜止狀況下模態(tài)的差別,又進行了一次模態(tài)有限元分析,步驟是在三、四步驟后給葉輪施加一個轉(zhuǎn)動角速度,打開預(yù)應(yīng)力開關(guān),選擇分析類型為靜應(yīng)力分析,并進行一次靜應(yīng)力分析。然后選擇分析類型為模態(tài)分析,并保證預(yù)應(yīng)力開關(guān)為打開狀態(tài),同時打開旋轉(zhuǎn)軟化選項,下面同三、五以后的步驟。

　　計算結(jié)果各振型對應(yīng)模態(tài)頻率變化不到1Hz,因此該葉輪可以采用靜止狀況下的模態(tài)來代替運動狀態(tài)下的模態(tài),從考慮問題的周全性上考慮,對應(yīng)力剛化、旋轉(zhuǎn)軟化驗證是必要的。

5 振型和對氣動噪聲影響的分析

 

　　為了觀察振型,用命令Expand并輸入?yún)��?shù)4擴展成整個葉輪以觀察振型(菜單路徑:MainMenu>GeneralPostprocessing>Expandsector)�！　　　　　�(1)一階振動頻率為61.5Hz,葉片表現(xiàn)為沿徑向扭擺,變形最大位置在葉根處,整個葉輪振型表現(xiàn)為1、3葉片擺動時,2、4不動,1、3葉片反向扭擺。

　　(2)二階振動頻率為62Hz,葉片表現(xiàn)為沿徑向線扭擺,變形最大位置在葉根處,整個葉輪振型表現(xiàn)為1、3葉片向前扭擺,2、4葉片向后扭擺。

　　(3)三階振動頻率為62.5Hz,葉片表現(xiàn)為沿徑向線扭擺,變形最大位置在葉根處,整個葉輪振型表現(xiàn)為4個葉片以相同形式同向扭擺。

　　(4)四階振動頻率為80.3Hz,葉片仍然表現(xiàn)為沿徑向線扭擺,但葉片型面上有彎曲現(xiàn)象出現(xiàn),彎曲最大現(xiàn)象出現(xiàn)在較大葉片半徑處,整個葉輪振型表現(xiàn)為1、3葉片向前扭擺,2、4葉片向后扭擺。

　　(5)五階振動頻率為80.5Hz,葉片表現(xiàn)為沿徑向線扭擺,葉片型面上有彎曲現(xiàn)象出現(xiàn),彎曲最大現(xiàn)象出現(xiàn)在較大葉片半徑處,整個葉輪振型表現(xiàn)為1、3葉片反向扭擺,2、4不動。

　　(6)六階振動頻率為87.6Hz,葉片表現(xiàn)為沿徑向線扭擺,葉片型面上有彎曲現(xiàn)象出現(xiàn),彎曲最大現(xiàn)象出現(xiàn)在較大葉片半徑處,整個葉輪振型表現(xiàn)為4個葉片以相同形式同向扭擺。

　　(7)七階振動頻率為152.2Hz,1、3葉片的運動形式以葉片型面上的彎曲波為主,彎曲波有兩條節(jié)線,且彎曲波最嚴重發(fā)生在葉片外周處,1、3葉片運動形式相差180°相位;2、4葉片基本不動,但在前掠的葉尖處有少量翹曲;對面的葉片變化相位差180°。

　　(8)八階振動頻率為152.6Hz,葉片表現(xiàn)4個葉片型面上都出現(xiàn)彎曲波,且整個葉輪相對的兩個葉片振動情況相同,而相鄰的葉片振動情況相差180°相位。

　可以看出葉輪模態(tài)振動形式主要是由4個葉片周向不同振動組合形式,造成這種原因主要是前掠葉片剛度遠小于輪轂的剛度,即葉片“軟”,而輪轂“硬”;葉片低頻振型主要以葉片整體扭擺為主,而高頻主要以葉片彎曲波為主。從對噪聲的影響來看認為前六階振型影響較大,因為由于它的擺對流場有較大影響,造成了葉片進氣攻角的變化,從而形成葉片表面升力的波動,最嚴重的情況會產(chǎn)生馳振,產(chǎn)生很大氣動噪聲和效率較大的降低。

6 結(jié)論

　　通過有限元對葉輪模態(tài)進行了模態(tài)分析,考慮了旋轉(zhuǎn)軟化、應(yīng)力強化對葉輪真實運行狀況下模態(tài)頻率的影響,發(fā)現(xiàn)與靜止狀態(tài)差別不大,同時分析結(jié)果與試驗吻合較好。通過振型分析,認為較低頻率的前六階振動對氣動噪聲影響較大,為設(shè)計低噪聲風(fēng)機提供了借鑒。

　　下一步將計算葉輪流場,廠房降溫水簾,得到葉片流場受力并對葉輪作諧波分析,通過氣動聲學(xué)公式預(yù)測噪聲的大小,以期望獲得葉輪振動對氣動噪聲的具體量值。

公司業(yè)務(wù)下降的原因分析風(fēng)機及配件業(yè)務(wù)：2009年公司這項業(yè)務(wù)實現(xiàn)主營業(yè)務(wù)收入9,722.95萬元，同比上年減少40.23%，毛利潤率為32.94%,同比上年上升了3.27個百分點。受今年外圍經(jīng)濟影響，2009年上半年，風(fēng)機方面大部份已簽約的大項目合同都不同程度的要求延遲交貨，配套類業(yè)務(wù)也因此受影響，導(dǎo)致公司開工不足；另由于公司近些年來對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的一個主動調(diào)整，轉(zhuǎn)型做大項目，也造成一些短平快的小單訂單不足，特別是工民建訂單出現(xiàn)一定缺口，導(dǎo)致報告期內(nèi)公司業(yè)績不佳。2009年下半年，隨著國家政府積極財政政策和適度寬松貨幣政策的實施，一系列經(jīng)濟刺激舉措的推出，市場形勢逐漸好轉(zhuǎn)，公司各地鐵項目生產(chǎn)指令開始下達，核電項目也發(fā)出發(fā)貨要求，生產(chǎn)形勢開始好轉(zhuǎn)。

　　漆包線業(yè)務(wù)：2009年公司這項業(yè)務(wù)實現(xiàn)主營業(yè)務(wù)收入85，432.07萬元，同比上年降低22.69%，毛利潤率為5.06%,同比上年下降了1.23個百分點。09年初，受外部經(jīng)營環(huán)境的影響，客戶訂單大幅減少，尤其是以東莞深圳地區(qū)為主的出口市場；而且大部分客戶提出了降價的要求，客戶降價幅度高達10％甚至個別客戶降幅達到20％，降價客戶銷量占了全年總銷量的75％。降價范圍之廣，幅度之大，是歷年來所未有的，因此上半年經(jīng)營業(yè)績較差。從09年8月起，

　　市場形式好轉(zhuǎn)，訂單量逐步上升，但為了搶占市場，加工價格仍然沒有得到較大提高，因此全年的經(jīng)營利潤率較低。

　　冷凍設(shè)備：因為這項業(yè)務(wù)收入占公司總收入比例很小，因此該業(yè)務(wù)變化對公司收入和利潤影響不大。

　�。�3）公司發(fā)展前景及業(yè)績預(yù)測

　　風(fēng)機及配件：公司主要是專業(yè)從事通風(fēng)與空氣處理系統(tǒng)設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)、制造與銷售的企業(yè)。通風(fēng)與空氣處理設(shè)備行業(yè)屬于裝備制造業(yè)的組成部分，在國民經(jīng)濟中占有重要地位，是國家產(chǎn)業(yè)政策重點鼓勵發(fā)展的行業(yè)。隨著我國能源、石化等重工業(yè)和重大基礎(chǔ)交通建設(shè)的快速發(fā)展，核電站、地鐵軌道交通、隧道等行業(yè)高端產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域市場潛力較大，市場容量增長迅速。根據(jù)《中國通風(fēng)及空氣處理行業(yè)研究報告》相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，地鐵通風(fēng)與空氣處理設(shè)備約占地鐵項目總投資額的8‰。未來5年，地鐵通風(fēng)及空氣處理設(shè)備的市場總?cè)萘考s為50億元，年均增長率在15%以上；隧道通風(fēng)與空氣處理系統(tǒng)設(shè)備的市場總?cè)萘课磥?年將超過75億元；2010年核電HVAC設(shè)備的市場需求將達到7億元，2011年將達到9億元，2012年將達到10億元，2013年將達到12億元，年均增長率在10%以上。工業(yè)風(fēng)機方面，首先國內(nèi)工業(yè)固定資產(chǎn)投資額在未來仍將繼續(xù)保持比較高的增長，這為工業(yè)通風(fēng)與空氣處理系統(tǒng)設(shè)備提供了很大的市場需求；另一方面隨著先進制造業(yè)比重的加大，一大批落后的工藝、設(shè)備將逐步被淘汰或者升級換代，這將為工業(yè)通風(fēng)與空氣處理系統(tǒng)設(shè)備創(chuàng)造潛在的市場需求。綜上所述，總得來說，HVAC市場潛力較大，市場容量增長迅速。

　　漆包線：公司主要產(chǎn)品有聚酯漆包圓銅線、改性聚酯漆包圓銅線、聚氨酯漆包圓銅線、聚酯亞胺漆包圓銅線、耐高溫耐冷媒漆包圓銅線、漆包圓鋁線等。相關(guān)資料顯示，從2005年開始，中國每年新增發(fā)電裝機容量的平均值約為7,000萬千瓦，與此相關(guān)的繞包線需求量約35萬噸/年。2007年中國電磁線的產(chǎn)銷量130萬噸，達到歷史最高水平，其中繞包線約35萬噸，漆包線95萬噸。2008年受金融風(fēng)暴影響，漆包線產(chǎn)銷量下降約15%，約為80萬噸，繞包線沒有受到金融風(fēng)暴影響仍維持35萬噸水平，2008年電磁線的產(chǎn)銷量約為115萬噸；2009年繞包線仍維持35萬噸，漆包線產(chǎn)銷量下降10%～15%，約為70萬噸，2009年電磁線的產(chǎn)銷量約為105萬噸；預(yù)計2010年漆包線的耗量與2009年持平，2011年和2012年每年以8%的增幅從2010年的谷底回升。

　　冷凍設(shè)備：因為這項業(yè)務(wù)收入占公司總收入比例很小，因此該業(yè)務(wù)變化對公司收入和利潤影響不大。不過隨著經(jīng)濟的回暖，該項業(yè)務(wù)收入和盈利也會提高。

　　我們預(yù)計公司未來三年收入分別為1247.58百萬元、1559.47百萬元、1949.34百萬元，每股收益分別為：0.098元、0.102元、0.117元。

　　主要財務(wù)指標預(yù)測值在下頁表格。

　　3．投資建議

　　考慮到金融危機的陰影依然存在，經(jīng)濟復(fù)蘇還有變數(shù)，因此，公司產(chǎn)品銷售量不可能馬上回復(fù)到常規(guī)年份，通過以上我們對公司經(jīng)營情況的分析和預(yù)測，我們給予公司“中性”評級。

作者：田書華 來源：銀河證券研究中心

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