矿用FBD局部通风机虚拟原型设计及数值模拟分析.pdf

西安科技大学
硕士学位论文
矿用FBD局部通风机虚拟原型设计及数值模拟分析
姓名:党亚歌
申请学位级别:硕士
专业:机械设计及理论
指导教师:龚晓燕
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论文题目:矿用 FBD 局部通风机虚拟原型设计及数值模拟分析
专业:机械设计及理论
硕士生:党亚歌(签名)
指导教师:龚晓燕(签名)
摘要
矿用 FBD 局部通风机是目前煤矿井下掘进工作面使用最为广泛的一种局部通风机。
本文主要针对矿用 FBD 局部通风机在使用过程中存在的叶片断裂、振动和噪音等主要
问题,对矿用 FBD 局部通风机虚拟原型进行设计和数值模拟分析,为 FBD 局部通风机
优化设计提供依据。主要完成以下几个方面的研究内容:
(1)以矿用 FBD 局部通风机为研究对象,对 FBD 局部通风机实际运行状况、存
在的问题及国内外的研究现状进行了分析,确定了矿用 FBD 局部通风机虚拟原型设计
及数值模拟分析的方法和思路;
(2)对矿用 FBD 局部通风机产品设计的相关资料进行收集和分析,建立 FBD 局
部通风机虚拟原型设计的信息模型,并采用 Pro/E 软件进行几何建模和运动仿真分析,
为 FBD 局部通风机设计和动力学分析提供了依据;
(3)为了计算 FBD 局部通风机工作过程中气流在风机叶片上的冲击载荷大小,采
用有限元 ANSYS FLOTRAN 软件对气流在风机叶轮间的流动情况进行了数值模拟分
析,得出气流在风机叶轮间流动的速度和压力分布,以及二级叶轮叶片上所受到的气动
载荷大小,为结构分析提供了准确的数据;
(4)针对 FBD 局部通风机运行过程中叶片断裂等问题,采用有限元 ANSYS 软件
对通风机结构进行了静力学分析,得到了叶片应力和应变分布规律及气动载荷影响,并
对现有轮毂结构强度及刚度进行了计算和安全性分析。在此基础上对现有轮毂结构中的
加强锥体、加强板、轴盘、轮毂幅板等结构进行了改进,通过分析得出改进后的轮毂结
构不但能满足强度、刚度要求,而且质量得到减轻、最大应力有所减小;
(5)在静力学分析的基础上,为了解决 FBD 局部通风机工作过程中振动和噪音的
问题,首先,采用有限元 ANSYS 软件对 FBD 局部通风机结构进行了动力学模态分析,
得出了预应力对叶片振动特性的影响,以及二级叶片、轮毂的前 6 阶频率和振型,为研
究通风机结构的振动和噪音提供了依据;然后,在考虑气动载荷的条件下对结构改进后
的通风机叶轮进行了预应力模态分析,提取出叶轮结构前 12 阶频率和振型,得出了在
整个叶轮系统振动中叶片和轮毂本身的振动,以及它们之间的振动耦合作用对整个叶轮
振动特性的影响。

关键词:局部通风机;虚拟原型;运动仿真;气动载荷;振动特性; 数值模拟
研究类型:应用研究
Subject : Virtual Prototype Design and Numerical Simulation Analysis
on the FBD Series of Local Fan for Mine
Specialty : Mechanical Design and Theory
Name : Dang Yage (Signature)
Supervisor : Gong Xiaoyan (Signature)
ABSTRACT
The FBD series of local fan for mine is the most widely used at heading face undermine.
Virtual prototype design and numerical simulation, including fluids analysis, structural static
and dynamics analysis, was carried out to solve the problems of blade fracture, vibration and
noise during the use of FBD series of local fan for mine, the results can provide a basis for
optimal design. The main performed researches are as follows:
(1) In order to determine the methods and ideas of virtual prototype design and
numerical simulation for