农机发动机叶片复杂零件的有限元仿真分析

刘雨亭，胡靖明

（甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730074）

1 农机发动机冷却风扇叶片

冷却散热风扇是农机发动机冷却系统的关键零件，因此，发动机冷却风扇的性能和效率也直接影响着农机发动机的性能，是评判农机发动机的重要标准之一[1]。一般情况下，农机发动机在使用过后都会产生比较大的热量，为保证农机发动机的正常使用，就对发动机冷却风扇的要求提高了，需要更大功率的冷却风扇进行散热工作。农机发动机冷却系统如图1所示。

但是散热风扇属于复杂零件，相对的制作成本比较高，所以要研究和优化冷却风扇的散热功能，提高冷却风扇的使用效率和使用周期，降低制造成本，推动农机发动机系统的发展。电气自动化是一门对实践要求比较高的学科，只是当前的高校教学模式忽视了实践方面的教学，本文主要分析电气自动化教学的现状和措施，并充分探讨农机发动机叶片复杂零件的有限元仿真分析的具体情况，寻找电气自动化发展新方向。

图1 农机发动机冷却系统

2 农机发动机叶片复杂零件有限元算法分析

农机发动机的风扇叶片是一种典型的农机复杂零件，但由于复杂零件很难直接进行分析计算，所以在对其进行有限元分析的时候，可以先将复杂零件区块划分之后再进行区块计算工作，这样再进行计算得出来的结果是比较精准的，而且在计算的时候，要先假设有限元划分过程中的网格节点都是一些未知的位移量，这样能够将数据更加清晰准确地表述出来。

比如 ，假设节点为{δ}e=[ui，vi，wi]T，网格单元 内的位移为{f}=[u，v，w]T，采用函数 N（X，Y，Z）进行描述的总位移方程为{f}=[N]{δ}e。

假设计算点坐标为（ξ，η，ζ），但是在实际进行运算的时候要进行转化工作，将这个坐标转化为（x，y，z），然后在每个坐标点下方进行节点 i的位移工作（ui，vi，wi），最终的方 程 表 达 式 为 {ε}={εx，εy，εz，yxz，yyz，yzx} 和 {ε}=[B]{δ}e在进行弹性计算的时候，假设[D]为弹性矩阵，那么应力矩阵[S]=[D][B]。

假设节点为{F}e，那么{F}e=[k]{δ}e。

从上述计算可以看出，采用有限元计算法进行复杂零件计算的时候，需要将这些复杂区域进行拆分，详细步骤如下：第一步，导入初始模型。根据网格细节划分，将拆分后的初始模型导入软件中进行分析，这是一个前提准备工作，完成子区域的划分工作之后将其标记，以方便后续的计算；第二步，模型处理工作。模型导入工作完成之后，将子区域进行计算，计算时主要考虑到子区域的个数，这样才能保证计算的准确度；第三步，再次规划模型。模型再次规划主要是为了提高有限元计算的准确度来进行的，再次按照子区域计算的方式进行计算，能够有效提高计算的精确度，只是还需要注意子区域的个数，促使复杂零件的有限元计算的精准度；第四步，系统生产一个网格模型。这个网格模型是根据两次规划以及规划后的计算结果进行生产的，是有限元网格计算的详细结果，也是计算完成后的最后模型，能够通过对网格模型的分析得到一个详细、准确的答案。除此之外，还可以采用模型和网格规划，对最后的网格模型进行整合分析，从而提高有限元网格计算结果，提高网格计算的效率和质量。

3 农机发动机叶片复杂零件有限元仿真分析

为了验证网格划分方法对复杂机械零部件有限元网格划分的可靠性，以重型农机发动机散热风扇叶片的有限元网格划分和仿真模拟为例，对网格划分方法的可靠性进行了验证[2]。有限元仿真表明：采用这种网格划分方法可以有效地实现复杂零件的三维网格划分。同时，将生成的网格代入到有限元软件中进行了仿真计算，将计算结果和实验测试结果进行了对比发现：仿真结果和实验结果基本吻合，从而验证了网格划分的可靠性。

在进行农机发动机叶片复杂零件有限元分析的时候，要先使用有限元网格生成各个模型来进行分块计算，再综合计算分析，按照分块划分来进行模板整理，这样可以得到一个准确的分析结果[3]。有限元分析方法是将农机发动机叶片的复杂零件进行拆分之后，使用有限元网格划分后的分析[4]。具体步骤如下：一是模型导入。将初始模型综合导入网格处理的软件中，进行综合划分，划分时考虑到模型的划分边界，促使模型边界处于一个可以计算的空间，最后进行标记工作；二是处理模型规划。使用计算区域划分策略的形式进行具体的模型规划工作，把具体的模型分化为几个子区域，但是又不影响生产六面体区域；三是再次规划模型。主要是为了提高模型计算的精确度，再次规划会形成新的六面体区域和子规划区；四是生产整个复杂网格模型。将上述两次规划的网格模块区域进行组装后，进行逆向映射，通过网格映和耦合连接，使其形成可以直接计算的网格完整模型。

图2 风速

表1 仿真和实验结果对比

由于农机电动机叶片复杂零件的优化比较复杂，所以想要优化农机散热风扇，需要考虑很多方面[5]。为了验证农机发动机风扇叶片优化后的效果，采用有限元计算的方法分别计算了优化前后风扇叶片的阻力，计算结果如图2所示。

从图2中看出，经过优化后的电动机风扇叶承受的阻力明显有所降低，所以风扇的散热效果有所提升，对能源的消耗也比较少，综合性能有所提高。

将有限元仿真结果和实验数据进行对比，结果如表1所示。很明显，在不同的风速条件下，有限元仿真计算的结果和实际检测的结果相差不大，可见有限元仿真计算的准确性，这也从侧面反映了有限元仿真分析的准确度。

4 结语

为进一步提高农机发动机叶片复杂零件的使用效果，可以采用有限元仿真分析进行性能计算，然后，综合分析农机发动机叶片复杂零件的优化问题[6]。本文将农机发动机散热风扇叶片作为主要的研究对象，采用有限元网格划分的方法将发动机散热风扇叶的复杂模型进行划分处理，利用网格计算法集中处理，并将有限元仿真计算的结果与实验检测结果进行对比，充分验证有限元仿真计算的准确性和科学性，推动农机发动机叶片复杂零件的有限元仿真分析。