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軸流風(fēng)葉以其風(fēng)量大的特性，在空調(diào)器室外機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。隨著空調(diào)產(chǎn)品中冷凝器換熱性能的不斷提高，軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速隨之提高，因此對軸流風(fēng)葉的強(qiáng)度要求也不斷提高。在行業(yè)中通常以高速運(yùn)轉(zhuǎn)試驗檢驗軸流風(fēng)葉的強(qiáng)度，即風(fēng)葉在實際使用最高轉(zhuǎn)速的2-v3倍轉(zhuǎn)速運(yùn)行5-v10min，以風(fēng)葉是否出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞的標(biāo)準(zhǔn)檢驗軸流風(fēng)葉的強(qiáng)度分析，然而在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行過程中，軸流風(fēng)葉葉片撕裂和破碎現(xiàn)象比較常見。針對空調(diào)器產(chǎn)品用軸流風(fēng)葉的破裂問題和強(qiáng)度影響因素進(jìn)行分析，基于有限元仿真分析對軸流風(fēng)葉進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，解決其破裂問題，提高風(fēng)葉強(qiáng)度，增強(qiáng)空調(diào)器產(chǎn)品的市場競爭力。
軸流風(fēng)葉在旋轉(zhuǎn)時，葉片主要受到離心力和由氣流流動引起的氣動載荷的作用。在風(fēng)葉高速運(yùn)轉(zhuǎn)時離心力遠(yuǎn)大于氣動載荷，因此離心力為風(fēng)葉高速運(yùn)轉(zhuǎn)時的主要載荷。離心力和由它引起的應(yīng)力在風(fēng)葉葉尖位置為零，且向葉根逐步增大，到葉片根部時達(dá)到最大值。如圖所示，作用在葉片上的總離心力。
某空調(diào)器用軸流風(fēng)葉在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時葉根出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致整個風(fēng)葉破碎，破裂樣件如圖所示。風(fēng)葉材料為AS-GF20，材料密度為1.16kg/m3，材料拉伸強(qiáng)度極限為108MPa，破裂轉(zhuǎn)速v=2200r/minx為找到風(fēng)葉破裂原因，利用ANSYS Workbench軟件建立了風(fēng)葉高速運(yùn)轉(zhuǎn)的有限元分析模型，按實際運(yùn)行情況對風(fēng)葉進(jìn)行旋轉(zhuǎn)約束，即約束其軸向和徑向自由度，保持其周向轉(zhuǎn)動自由度，施加轉(zhuǎn)速載荷。風(fēng)葉材料ASF20為塑性材料，塑性材料通常適用于第三強(qiáng)度理論(最大切應(yīng)力理論)和第四強(qiáng)度理論(畸變能理論)。
采用第四強(qiáng)度理論，如式所示，對軸流風(fēng)葉進(jìn)行強(qiáng)度評估，即通過等效應(yīng)力或等效應(yīng)變評估風(fēng)葉強(qiáng)度性能。通過計算，風(fēng)葉的最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片根部與輪毅連接的加強(qiáng)筋處，最大應(yīng)力為148.2MPa，超過了材料的拉伸極限(108MPa)，葉根附近其他通過對比風(fēng)葉破裂樣件與分析結(jié)果，最大應(yīng)力位置和風(fēng)葉破裂位置一致，說明風(fēng)葉破裂的主要原因為風(fēng)葉葉根加強(qiáng)筋位置的應(yīng)力集中，同時驗證了有限元分析模型的準(zhǔn)確性。
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