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摘要：本文采用有限元分析方法，对空调轴流风叶结构强度的可靠性进行分析，并对实验结果得出了准确的预测。通过对比分析提出通过增加平筋代替常规的加强筋，减少或避免了轴流风叶在结构设计过程中依靠经验造成的强度不足问题，有效的提高叶片的结构强度。
关键词：轴流风叶；有限元分析；高速运转实验
1.引言
轴流风叶因其流量大、体积小、压头低的特点被广泛用于空调室外机中，作为空调系统中重要的送风装置，轴流风叶的好快直接关系到空调的舒适性及使用寿命的长短。
轴流风叶的工作转速一般在700～1000RPM，风叶的高速旋转容易导致叶片断裂、振动过大和启动噪声过大等问题。随着近年来消费者对空调设计寿命要求的不断提高，作为空调主要运动零件的轴流风叶在整机的寿命设计中占据越来越重要的地位。
本文以某款轴流风叶为对象，对风叶进行受力分析和校核以及相应的结构应力仿真计算，最后提出了提高风叶强度优化的设计思路及方法。
2.设计目标
关于风叶可靠性相关的检验标准较多，鉴于篇幅原因，本文主要通过分析风叶的高速运转实验确定风叶的结构设计目标。
实验要求：风叶运转之后不得出现变形、拉白，破损，裂纹等现象。风叶轴孔处不能出现破损现象。
风叶出现拉白，破损，裂纹等均是其材料失效的现象，所以设计的时候要保证其拉伸强度和弯曲强度不超标即可。
3.轴流风叶的力学特性
轴流风机的叶轮旋转时，叶片上受到离心力和气流流动压力，前者使叶片内产生拉应力，后者产生弯曲应力。对于扭曲叶片，离心力也会引起弯曲应力。通常离心力产生的应力远大于气动力的影响。轴流风叶叶片顶部截面受到的离心力为零，向叶片根部逐渐增大，叶片根部达到最大值，所以，由离心力所引起的应力在叶片根部也最大。
对于给定叶形的风叶，其离心力产生的应力为
?c=Fc/A
上式中，Fc为叶片根部收到的离心力，N；A为叶片任意半径r处截面积，单位为m2。
从公式中可以看出，截面面积越大，应力越小。故对于给定叶形的风叶，增大叶片根部截面积既能减少对流场和噪音的影响，又可以有效减少应力。但是片面的增加横截面积将会导致材料冷却速度变慢，局部冷却速度不一致将使内部容易产生应力，缩水等缺陷。故此笔者在设计风叶的时候没有采取常规在风叶根部增加大导角的办法，而是采用局部加筋的方法提高叶片根部强度，同时避免风叶缩水的缺陷。
4.风叶材料分析
众所周知，轴流风叶的材料和结构是决定风叶安全的两个最主要因素。
下面首先对风叶的材料进行选择，常见的轴流风叶材料有以下几种，AS-GF20以其优异的性能成为轴流风叶的首选材料，其缺点是密度较大，容易导致电机负载变大，导致电机噪音，后续应该对风叶进行局部减料处理，对风叶的总重量进行控制。PP-GF10材料密度虽然小，但是材料的耐候性较差，在高温高湿的商业场所或近海边盐分浓度较高的环境容易老化，谨慎推荐使用。
材料
参数 ABS-GF15 AS-GF20 PP-GF10
拉伸强度 82MPa 120 MPa 46 MPa
弯曲强度 107MPa 154 MPa 63 MPa
密度103 1.12 kg/m3 1.16kg/m3 0.97kg/m3
弹性模量 5.3E+9Pa 5.5E+9Pa 5.5E+9Pa
泊松比 0.35 0.45 0.33
5.结构应力仿真计算
近些年来，特别是家电行业，由于计算机软硬件和有限元理论的迅速发展，运用CAE软件对产品进行可靠性分析已经成为一种流行的趋势。在产品开发阶段，利用计算机仿真方法进行结构分析，不仅可以有效的提高产品的可靠性，改进产品结构，而且能降低开发成本，缩短开发周期，提高产品的市场竞争力。对于本文所涉及的轴流风叶的设计，其可以准确的计算风叶表面的应力分布，以便设计者可以针对超标的应力点重点改善，这是有限元计算的最大优势。本文采用了ANSYS15.0中的ANSYS Workbench对风叶进行了结构的分析与改进。
1.1计算前处理
计算时，根据检验要求设定各种参数：
风叶材料采用20%云母的AS材料，其弹性模量为5.5X103MPa，泊松比为0.45，密度为1.16kg/m3。按检验实验要求，轴流风叶高速运转转速按其配合电机最高转速的3.5倍进行。本项目电机最高转速为800RPM，故计算时风叶转速设定为2800RPM。
1.2原始风叶的计算
通过仿真计算可以看出，该风叶在高速运转时，叶片根部应力较大，通过应力云图可以观察到，当风叶转速增大时，风叶叶片表面的应力从叶片顶部往根部逐渐增大，叶片背面根部的应力达到最大值且非常的集中。风叶的弯曲应力使根部材料受到挤压，超过其弯曲强度而失效。
1.3对模型的分析和改进
通过以上分析，笔者通过在风叶根部增加若干加强筋用于提高风叶的强度，不同的加筋方案及其计算结果如下。
方案 风叶两面
增加加强筋 风叶前沿
增加料厚 风叶根部
增加平筋
应力云图
截面图
通过对结果对比可得出：
（1）单纯加筋会改变应力分布，但是不能有效改小最大应力值，加筋后容易在加强筋根部出现最大应力點。
（2）离心力的方向指向旋转轴，单方面加厚风叶厚度不能有效降低最大应力值；
（3）可在风叶根部最前部增加较大的平筋，能有效降低最大应力值及改善应力分布。
1.4实验验证
根据实验要求把风叶安装在测试电机上，逐步增加转速至2800RPM，保持此转速运行5min，停机取出风叶观察，风叶完好。
更换同批次风叶，电机增加转速到2900RPM，运行5min，风叶仍完好，再次提高转速直至风叶破裂，最终得到该风叶的最高转速为3000RPM，共运行了4’50min。
特别提到，即使实验室有特制的铁笼保护，风叶破坏的瞬间仍发出巨大的噪音，破坏力非常大，在实验室取出的样品已经粉碎，通过零星的碎料判断出风叶的撕裂点在风叶的根部，与有限元分析的结论一致。由于风叶破坏后的残件往往难以还原，这对设计者分析风叶失效点带来不小的困难，故建议采用有限元分析，其能够观察到常规实验难以观察到的现象，有利于设计者分析和改进。
以上仅是从局部结构中增加强筋和改善应力集中的方面提出了相应的优化设计方案，经笔者调查研究发现，除上述方法外，尚可从改善材料以及增加风叶的外圈料厚等方面进行轴流风叶的改善。
6.结论
（1）风叶的根部，特别是其背风面，由于受风叶运行时的离心力作用，应力容易集中，设计时需要对风叶根部做特殊的加强处理；
（2）风叶根部的加强筋位置需要根据仿真计算的结果确定，在风叶根部前端增加平筋能有效改善风叶应力的分布和降低最大应力点，可以减少叶片的破损；
（3）风叶通过增加加强筋其强度远远超出了设计目标，下一步可以通过局部减料或整体减薄材料的方法减少风叶材料从而降低电机的负载。除此之外，设计者通过此方法既可保证风叶质量不变同时降低材料成本，实现了优良化设计与节省成本的双重效果。
参考文献：
[1]轴流式通风机实用技术/昌泽舟等编著.-北京：机械工业出版社，2005.2
[2]通风机设计与选型/张玉成，仪登利，冯殿义等编.-北京：化学工业出版社，2011.2
[3]基于LS-DYNA某型窗式空调器轴流风叶跌落强度仿真分析/张光曙，王武刚编. -质量探索，2013，6
关键词：轴流风叶；有限元分析；高速运转实验
1.引言
轴流风叶因其流量大、体积小、压头低的特点被广泛用于空调室外机中，作为空调系统中重要的送风装置，轴流风叶的好快直接关系到空调的舒适性及使用寿命的长短。
轴流风叶的工作转速一般在700～1000RPM，风叶的高速旋转容易导致叶片断裂、振动过大和启动噪声过大等问题。随着近年来消费者对空调设计寿命要求的不断提高，作为空调主要运动零件的轴流风叶在整机的寿命设计中占据越来越重要的地位。
本文以某款轴流风叶为对象，对风叶进行受力分析和校核以及相应的结构应力仿真计算，最后提出了提高风叶强度优化的设计思路及方法。
2.设计目标
关于风叶可靠性相关的检验标准较多，鉴于篇幅原因，本文主要通过分析风叶的高速运转实验确定风叶的结构设计目标。
实验要求：风叶运转之后不得出现变形、拉白，破损，裂纹等现象。风叶轴孔处不能出现破损现象。
风叶出现拉白，破损，裂纹等均是其材料失效的现象，所以设计的时候要保证其拉伸强度和弯曲强度不超标即可。
3.轴流风叶的力学特性
轴流风机的叶轮旋转时，叶片上受到离心力和气流流动压力，前者使叶片内产生拉应力，后者产生弯曲应力。对于扭曲叶片，离心力也会引起弯曲应力。通常离心力产生的应力远大于气动力的影响。轴流风叶叶片顶部截面受到的离心力为零，向叶片根部逐渐增大，叶片根部达到最大值，所以，由离心力所引起的应力在叶片根部也最大。
对于给定叶形的风叶，其离心力产生的应力为
?c=Fc/A
上式中，Fc为叶片根部收到的离心力，N；A为叶片任意半径r处截面积，单位为m2。
从公式中可以看出，截面面积越大，应力越小。故对于给定叶形的风叶，增大叶片根部截面积既能减少对流场和噪音的影响，又可以有效减少应力。但是片面的增加横截面积将会导致材料冷却速度变慢，局部冷却速度不一致将使内部容易产生应力，缩水等缺陷。故此笔者在设计风叶的时候没有采取常规在风叶根部增加大导角的办法，而是采用局部加筋的方法提高叶片根部强度，同时避免风叶缩水的缺陷。
4.风叶材料分析
众所周知，轴流风叶的材料和结构是决定风叶安全的两个最主要因素。
下面首先对风叶的材料进行选择，常见的轴流风叶材料有以下几种，AS-GF20以其优异的性能成为轴流风叶的首选材料，其缺点是密度较大，容易导致电机负载变大，导致电机噪音，后续应该对风叶进行局部减料处理，对风叶的总重量进行控制。PP-GF10材料密度虽然小，但是材料的耐候性较差，在高温高湿的商业场所或近海边盐分浓度较高的环境容易老化，谨慎推荐使用。
材料
参数 ABS-GF15 AS-GF20 PP-GF10
拉伸强度 82MPa 120 MPa 46 MPa
弯曲强度 107MPa 154 MPa 63 MPa
密度103 1.12 kg/m3 1.16kg/m3 0.97kg/m3
弹性模量 5.3E+9Pa 5.5E+9Pa 5.5E+9Pa
泊松比 0.35 0.45 0.33
5.结构应力仿真计算
近些年来，特别是家电行业，由于计算机软硬件和有限元理论的迅速发展，运用CAE软件对产品进行可靠性分析已经成为一种流行的趋势。在产品开发阶段，利用计算机仿真方法进行结构分析，不仅可以有效的提高产品的可靠性，改进产品结构，而且能降低开发成本，缩短开发周期，提高产品的市场竞争力。对于本文所涉及的轴流风叶的设计，其可以准确的计算风叶表面的应力分布，以便设计者可以针对超标的应力点重点改善，这是有限元计算的最大优势。本文采用了ANSYS15.0中的ANSYS Workbench对风叶进行了结构的分析与改进。
1.1计算前处理
计算时，根据检验要求设定各种参数：
风叶材料采用20%云母的AS材料，其弹性模量为5.5X103MPa，泊松比为0.45，密度为1.16kg/m3。按检验实验要求，轴流风叶高速运转转速按其配合电机最高转速的3.5倍进行。本项目电机最高转速为800RPM，故计算时风叶转速设定为2800RPM。
1.2原始风叶的计算
通过仿真计算可以看出，该风叶在高速运转时，叶片根部应力较大，通过应力云图可以观察到，当风叶转速增大时，风叶叶片表面的应力从叶片顶部往根部逐渐增大，叶片背面根部的应力达到最大值且非常的集中。风叶的弯曲应力使根部材料受到挤压，超过其弯曲强度而失效。
1.3对模型的分析和改进
通过以上分析，笔者通过在风叶根部增加若干加强筋用于提高风叶的强度，不同的加筋方案及其计算结果如下。
方案 风叶两面
增加加强筋 风叶前沿
增加料厚 风叶根部
增加平筋
应力云图
截面图
通过对结果对比可得出：
（1）单纯加筋会改变应力分布，但是不能有效改小最大应力值，加筋后容易在加强筋根部出现最大应力點。
（2）离心力的方向指向旋转轴，单方面加厚风叶厚度不能有效降低最大应力值；
（3）可在风叶根部最前部增加较大的平筋，能有效降低最大应力值及改善应力分布。
1.4实验验证
根据实验要求把风叶安装在测试电机上，逐步增加转速至2800RPM，保持此转速运行5min，停机取出风叶观察，风叶完好。
更换同批次风叶，电机增加转速到2900RPM，运行5min，风叶仍完好，再次提高转速直至风叶破裂，最终得到该风叶的最高转速为3000RPM，共运行了4’50min。
特别提到，即使实验室有特制的铁笼保护，风叶破坏的瞬间仍发出巨大的噪音，破坏力非常大，在实验室取出的样品已经粉碎，通过零星的碎料判断出风叶的撕裂点在风叶的根部，与有限元分析的结论一致。由于风叶破坏后的残件往往难以还原，这对设计者分析风叶失效点带来不小的困难，故建议采用有限元分析，其能够观察到常规实验难以观察到的现象，有利于设计者分析和改进。
以上仅是从局部结构中增加强筋和改善应力集中的方面提出了相应的优化设计方案，经笔者调查研究发现，除上述方法外，尚可从改善材料以及增加风叶的外圈料厚等方面进行轴流风叶的改善。
6.结论
（1）风叶的根部，特别是其背风面，由于受风叶运行时的离心力作用，应力容易集中，设计时需要对风叶根部做特殊的加强处理；
（2）风叶根部的加强筋位置需要根据仿真计算的结果确定，在风叶根部前端增加平筋能有效改善风叶应力的分布和降低最大应力点，可以减少叶片的破损；
（3）风叶通过增加加强筋其强度远远超出了设计目标，下一步可以通过局部减料或整体减薄材料的方法减少风叶材料从而降低电机的负载。除此之外，设计者通过此方法既可保证风叶质量不变同时降低材料成本，实现了优良化设计与节省成本的双重效果。
参考文献：
[1]轴流式通风机实用技术/昌泽舟等编著.-北京：机械工业出版社，2005.2
[2]通风机设计与选型/张玉成，仪登利，冯殿义等编.-北京：化学工业出版社，2011.2
[3]基于LS-DYNA某型窗式空调器轴流风叶跌落强度仿真分析/张光曙，王武刚编. -质量探索，2013，6