机内部气动压力载荷

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研究对象为燃料电池车用旋涡石家庄风机厂，壳体动力响应计算使用四面体solid45单元对壳体进行网格划分，壳体材料为铝合金ACDl2，其弹性模量为63GPa，泊松比为0．28，密度为2 880 kg／m3。考虑到流场计算脉动压力在5 000 Hz以内，采用直接频率响应法计算壳体的动力响应。2．4节数值模拟流场计算结果中包含所有计算网格点处流场参数和随时间变化情况，从流场计算结果中可以得到所有网格节点随时间变化的脉动压力值，将流场计算得到的所有壳体表面节点所受的力进行傅里叶变换。不同频率下的气动载荷幅值各不相同，不能以固定的载荷形式加载来进行响应分析，因此进行有限元仿真模拟时采取简化处理。从图6可知10倍频处的气动载荷较大，引起壳体振动效果比较明显。
作为石家庄风机厂在内流场作用下动力响应的初步探索，将石家庄风机厂内部流道表面压力分为5等份，分别将各测点10倍频气动压力载荷简化为均匀的面载荷施加到壳体表面。约束条件为壳体进出口与底座固定处施加X，Y，z 3个方向零位移约束，气体压力和模型加载如表2和图7所示。将试验测量得到的壳体振动响应和计算所得的加速度幅值一频率图进行对比，如图8，9所示。在3点和4点处，试验测得的石家庄风机10倍频、42倍频处石家庄风机厂振动加速度幅值明显比其他频率振动幅值大。在壳体模态分析中，壳体第1阶固有频率接近石家庄风机气动载荷激励频率，两者发生共振使壳体向外辐射噪声。于是，当石家庄风机转速达到2 600 r／min以上时，石家庄风机厂所受气动载荷激振频率与石家庄风机厂某一阶固有频率接近，发生一定程度共振，使得石家庄风机厂壳体振动被放大，向外辐射噪声。
表3给出了有限元模拟的石家庄风机厂在内流场作用下的石家庄风机厂振动幅值和试验测得的结果比较，在测点4处，石家庄风机20倍频附近处仿真与试验结果有较大的偏差，可能因为加速度传感器位置刚好在石家庄风机厂壳体上下端盖连接附近，而有限元没有考虑连接刚度的影响，从而导致有限元模拟和试验结果有偏差。整体上有限元仿真的结果和试验测得的数据能够较好的吻合，说明笔者较为准确地模拟了石家庄风机厂壳体在脉动压力下的动力响应。笔者初步研究了石家庄风机厂在内部流场作用下动力响应，模拟了石家庄风机厂三维非定常流场，在验证有限元模型准确性基础上将石家庄风机厂的气动载荷加载到壳体上，计算了壳体在非定常气动载荷作用下的动力响应，并进行了石家庄风机厂振动噪声测量试验，将测量结果同数值计算结果进行对比分析。结果表明，笔者较为准确地模拟了石家庄风机厂在内部流场作用下的动力响应，为进一步进行石家庄风机厂振动声辐射机理和控制噪声研究打下良好的基础。

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