轨道交通作为现代城市交通体系的核心，不仅承载着输送乘客的重要任务，还需确保在各种极端温度环境下为乘客提供舒适的乘车环境。为实现这一目标，空调系统在地铁等轨道交通工具中扮演着不可或缺的角色。地铁的空调系统主要由空调机组、风道、送风格栅和控制装置等关键组件构成。
在这些组件中，空调机组尤为关键，它负责调节空气的温度和湿度，确保乘客能够享受到舒适的乘车体验。而空调机组的正常运行则高度依赖于其内部风机的可靠性。由于空调风机在车辆运行过程中需持续高速运转，同时还要承受车辆运动产生的惯性加速度冲击，它成为了整个空调系统中较为容易出现故障的部件。
因此，在设计阶段对空调风机总成进行结构强度方面的深入分析和验证显得尤为重要。本文利用先进的前处理软件建立了某轨道交通空调风机总成的有限元模型，并借助功能强大的有限元求解器abaqus，在模拟设计工况下对风机总成进行了详尽的强度分析。通过分析结果，我们能够准确评估设计方案的可靠性和合理性，为后续的产品优化和改进提供有力支持。
空调风机总成的有限元模型建立
2.1 三维模型建立
利用三维设计软件 solidworks 进行某轨道交通空调风机三维总成的几何实体建模，如图 1 所示。有限元前处理软件可以提供各种主流三维模型的导入接口，由于是装配件总成，为了防止模型几何数据的丢失，模型按照国际标准化组织(iso)所属技术委员会制订的国际统一 cad 数据交换标准，导出为.step 格式。 以下是某轨道交通空调风机总成三维模型 。
a.正视图
b.后视图
网格划分标准
在将.step 格式的三维 cad 模型通过专用前处理软件进行网格划分，选择求解器模块为 abaqus，后面所有的操作都将以 abaqus 求解器为模板[2-4]。薄壁板件将采用壳单元划分，锻造和铸件一般采用体单元进行处理，为了更好的适应复杂几何，提高单元质量，面网格一般采用三角形和四边形混合方式，网格类型为 s3 和 s4r；体网格采用六面体单元，网格类型为 c3d8r，螺栓连接采用 mpc 替代。根据模型尺寸及最小特征尺寸，单元尺寸总体定义为：平均尺寸 10mm，不容许单元尺寸低于 2mm 或高于 20mm，单元长宽比不得大于 5。对风机总成进行有限元网格划分，之后对网格质量进行检查，包括最大最小角、雅克比，网格叠加性，连续性等，并对不合格网格进行优化调整，最终该轨道交通空调风机总成的有限元模型共有节点数 72567，单元数 55171，有限元模型如图 2 所示，局部放大图如图 3所示。
图 2. 轨道交通风机总成有限元模型
图 3. 轨道交通风机总成局部有限元模型
属性设定
对风机总成模型进行网格划分后，建立单元属性，根据单元类型建立壳单元及体单元属性，壳单元需要定义其厚度，之后对其各个部件进行材料属性的建立和设置。利用专用有限元前处理软件的材料属性卡片，可以建立各种线性、非线性、各向同性、各向异性等材料。风机总成各部件的材料均为 304 不锈钢，本文主要针对风机总成的强度计算，因此采用线性材料，计算中用到的材料属性如表 1 所示。
表 1. 轨道交通风机总成材料属性
2.4 约束及载荷
约束：叶轮与轮毂的螺栓连接之间定义接触以模拟实际情况，螺栓建立三维实体网格，其他部位螺栓连接采用 mpc，叶轮与轮毂螺栓连接放大图如图 4 所示；风机总成框架安装孔添加刚性单元（rigid bar element）rbe2 来定义刚性连接，进行固定约束，总共添加 6 处用于固定约束的 kincoup，固定约束如图 5 所示。
图 4. 叶轮与轮毂螺栓连接及接触
图 5. 轨道交通风机总成有限元约束边界
工况载荷：工况为空调风机正常工作下的额定工况，风机转速为 25rps，会对叶轮和轮毂产生离心力，利用卡片进行离心力加载；考虑到轨道交通行驶过程中的转弯及颠簸情况，转弯 颠簸冲击过程有加速度冲击，施加冲击加速度为 x5g，y1g，z3g。
分析结果
本文利用 abaqus 求解器对该轨道交通空调风机总成进行求解。abaqus 是 dassault 公司一款功能非常强大的通用结构分析求解器。广泛应用于线性和非线性结构分析，适用于多个学科，包括静力学和动力学、振动、声学、疲劳和多物理场。同时 abaqus 与很多有限元前处理软件都有接口，载荷和约束设置完毕后，导出为.inp 格式后，就可以提交计算。计算结果在专用后处理软件中进行查看。图 6-10 分别为风机总成静态强度应力云图及各个部件的应力云图。
图 6. 轨道交通空调风机总成应力云图（应力/mpa）
图 7. 轨道交通空调风机框架应力云图（应力/mpa）
图 8. 轨道交通空调风机电机支架应力云图（应力/mpa）
图 9. 轨道交通空调风机叶轮应力云图（应力/mpa）
图 10. 轨道交通空调风机轮毂应力云图（应力/mpa）
从计算分析结果来看，轨道交通空调风机总成的最大应力为 198mpa，出现空调风机框架上，为框架与电机支架的螺栓连接处；电机支架的最大应力为 122.1mpa，出现在支架折弯处；风机叶轮的最大应力为 142.1mpa，出现在每个叶轮的根部；风机轮毂的最大应力为 26.53mpa，出现在轮毂与叶轮的螺栓连接处。所有部件的最大应力均为超过材料的屈服强度 205mpa，满足设计要求。
4. 结论
针对某轨道交通空调风机总成的性能研究，文章首先通过solidworks软件精准地建立了其几何模型。随后，利用专业的有限元分析技术，成功构建了该风机总成的有限元模型。在建模过程中，特别考虑了风机转动时产生的离心力和车辆运行过程中可能遭遇的冲击加速度载荷，以确保分析的全面性和准确性。
为了深入评估风机总成的结构强度，文章采用了abaqus这一先进的有限元求解器进行了静态结构强度分析。经过细致的计算和分析，结果显示风机总成的各个部件在模拟的工作条件下，其最大应力值均未超过材料的屈服强度。这一结论充分证明了该设计方案在结构强度方面的可靠性和合理性，为后续的产品优化和实际应用提供了有力的技术支撑。
