軌道交通作為現(xiàn)代城市交通體系的核心，不僅承載著輸送乘客的重要任務(wù)，還需確保在各種極端溫度環(huán)境下為乘客提供舒適的乘車環(huán)境。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，空調(diào)系統(tǒng)在地鐵等軌道交通工具中扮演著不可或缺的角色。地鐵的空調(diào)系統(tǒng)主要由空調(diào)機(jī)組、風(fēng)道、送風(fēng)格柵和控制裝置等關(guān)鍵組件構(gòu)成。

 

在這些組件中，空調(diào)機(jī)組尤為關(guān)鍵，它負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)空氣的溫度和濕度，確保乘客能夠享受到舒適的乘車體驗(yàn)。而空調(diào)機(jī)組的正常運(yùn)行則高度依賴于其內(nèi)部風(fēng)機(jī)的可靠性。由于空調(diào)風(fēng)機(jī)在車輛運(yùn)行過程中需持續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)還要承受車輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性加速度沖擊，它成為了整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)中較為容易出現(xiàn)故障的部件。

 

因此，在設(shè)計(jì)階段對(duì)空調(diào)風(fēng)機(jī)總成進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的深入分析和驗(yàn)證顯得尤為重要。本文利用先進(jìn)的前處理軟件建立了某軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成的有限元模型，并借助功能強(qiáng)大的有限元求解器Abaqus，在模擬設(shè)計(jì)工況下對(duì)風(fēng)機(jī)總成進(jìn)行了詳盡的強(qiáng)度分析。通過分析結(jié)果，我們能夠準(zhǔn)確評(píng)估設(shè)計(jì)方案的可靠性和合理性，為后續(xù)的產(chǎn)品優(yōu)化和改進(jìn)提供有力支持。

 

空調(diào)風(fēng)機(jī)總成的有限元模型建立

2.1 三維模型建立

利用三維設(shè)計(jì)軟件 SolidWorks 進(jìn)行某軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)三維總成的幾何實(shí)體建模，如圖 1 所示。有限元前處理軟件可以提供各種主流三維模型的導(dǎo)入接口，由于是裝配件總成，為了防止模型幾何數(shù)據(jù)的丟失，模型按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)所屬技術(shù)委員會(huì)制訂的國(guó)際統(tǒng)一 CAD 數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)出為.STEP 格式。 以下是某軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成三維模型 。

 

 

 

a.正視圖

 

b.后視圖

 

網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)

在將.STEP 格式的三維 CAD 模型通過專用前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇求解器模塊為 Abaqus，后面所有的操作都將以 Abaqus 求解器為模板[2-4]。薄壁板件將采用殼單元?jiǎng)澐?，鍛造和鑄件一般采用體單元進(jìn)行處理，為了更好的適應(yīng)復(fù)雜幾何，提高單元質(zhì)量，面網(wǎng)格一般采用三角形和四邊形混合方式，網(wǎng)格類型為 S3 和 S4R；體網(wǎng)格采用六面體單元，網(wǎng)格類型為 C3D8R，螺栓連接采用 MPC 替代。根據(jù)模型尺寸及最小特征尺寸，單元尺寸總體定義為：平均尺寸 10mm，不容許單元尺寸低于 2mm 或高于 20mm，單元長(zhǎng)寬比不得大于 5。對(duì)風(fēng)機(jī)總成進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，之后對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，包括最大最小角、雅克比，網(wǎng)格疊加性，連續(xù)性等，并對(duì)不合格網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最終該軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成的有限元模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù) 72567，單元數(shù) 55171，有限元模型如圖 2 所示，局部放大圖如圖 3所示。

 

 

圖 2. 軌道交通風(fēng)機(jī)總成有限元模型

 

 

圖 3. 軌道交通風(fēng)機(jī)總成局部有限元模型

 

屬性設(shè)定

對(duì)風(fēng)機(jī)總成模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，建立單元屬性，根據(jù)單元類型建立殼單元及體單元屬性，殼單元需要定義其厚度，之后對(duì)其各個(gè)部件進(jìn)行材料屬性的建立和設(shè)置。利用專用有限元前處理軟件的材料屬性卡片，可以建立各種線性、非線性、各向同性、各向異性等材料。風(fēng)機(jī)總成各部件的材料均為 304 不銹鋼，本文主要針對(duì)風(fēng)機(jī)總成的強(qiáng)度計(jì)算，因此采用線性材料，計(jì)算中用到的材料屬性如表 1 所示。

 

 

表 1. 軌道交通風(fēng)機(jī)總成材料屬性

 

2.4 約束及載荷

約束：葉輪與輪轂的螺栓連接之間定義接觸以模擬實(shí)際情況，螺栓建立三維實(shí)體網(wǎng)格，其他部位螺栓連接采用 MPC，葉輪與輪轂螺栓連接放大圖如圖 4 所示；風(fēng)機(jī)總成框架安裝孔添加剛性單元（rigid bar element）RBE2 來定義剛性連接，進(jìn)行固定約束，總共添加 6 處用于固定約束的 KINCOUP，固定約束如圖 5 所示。

 

 

圖 4. 葉輪與輪轂螺栓連接及接觸

 

 

圖 5. 軌道交通風(fēng)機(jī)總成有限元約束邊界

 

工況載荷：工況為空調(diào)風(fēng)機(jī)正常工作下的額定工況，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 25rps，會(huì)對(duì)葉輪和輪轂產(chǎn)生離心力，利用卡片進(jìn)行離心力加載；考慮到軌道交通行駛過程中的轉(zhuǎn)彎及顛簸情況，轉(zhuǎn)彎+顛簸沖擊過程有加速度沖擊，施加沖擊加速度為 X5g，Y1g，Z3g。

 

分析結(jié)果

本文利用 Abaqus 求解器對(duì)該軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成進(jìn)行求解。Abaqus 是 Dassault 公司一款功能非常強(qiáng)大的通用結(jié)構(gòu)分析求解器。廣泛應(yīng)用于線性和非線性結(jié)構(gòu)分析，適用于多個(gè)學(xué)科，包括靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)、聲學(xué)、疲勞和多物理場(chǎng)。同時(shí) Abaqus 與很多有限元前處理軟件都有接口，載荷和約束設(shè)置完畢后，導(dǎo)出為.inp 格式后，就可以提交計(jì)算。計(jì)算結(jié)果在專用后處理軟件中進(jìn)行查看。圖 6-10 分別為風(fēng)機(jī)總成靜態(tài)強(qiáng)度應(yīng)力云圖及各個(gè)部件的應(yīng)力云圖。

 

 

圖 6. 軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

 

 

圖 7. 軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)框架應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

 

圖 8. 軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)電機(jī)支架應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

 

 

圖 9. 軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)葉輪應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

 

 

圖 10. 軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)輪轂應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

 

從計(jì)算分析結(jié)果來看，軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成的最大應(yīng)力為 198MPa，出現(xiàn)空調(diào)風(fēng)機(jī)框架上，為框架與電機(jī)支架的螺栓連接處；電機(jī)支架的最大應(yīng)力為 122.1Mpa，出現(xiàn)在支架折彎處；風(fēng)機(jī)葉輪的最大應(yīng)力為 142.1Mpa，出現(xiàn)在每個(gè)葉輪的根部；風(fēng)機(jī)輪轂的最大應(yīng)力為 26.53Mpa，出現(xiàn)在輪轂與葉輪的螺栓連接處。所有部件的最大應(yīng)力均為超過材料的屈服強(qiáng)度 205Mpa，滿足設(shè)計(jì)要求。

 

4. 結(jié)論

針對(duì)某軌道交通空調(diào)風(fēng)機(jī)總成的性能研究，文章首先通過SolidWorks軟件精準(zhǔn)地建立了其幾何模型。隨后，利用專業(yè)的有限元分析技術(shù)，成功構(gòu)建了該風(fēng)機(jī)總成的有限元模型。在建模過程中，特別考慮了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力和車輛運(yùn)行過程中可能遭遇的沖擊加速度載荷，以確保分析的全面性和準(zhǔn)確性。

 

為了深入評(píng)估風(fēng)機(jī)總成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，文章采用了Abaqus這一先進(jìn)的有限元求解器進(jìn)行了靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。經(jīng)過細(xì)致的計(jì)算和分析，結(jié)果顯示風(fēng)機(jī)總成的各個(gè)部件在模擬的工作條件下，其最大應(yīng)力值均未超過材料的屈服強(qiáng)度。這一結(jié)論充分證明了該設(shè)計(jì)方案在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的可靠性和合理性，為后續(xù)的產(chǎn)品優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支撐。