Исследование собственных частот сварной конструкции рабочего колеса промышленного вентилятора в программном комплексе APM FEM

Целью исследования является получение числовых значений появления резонанса исследуемой конструкции и оценка влияния количества сварных швов на резонанс рабочего колеса промышленного вентилятора в программном комплексе APM FEM.

Методы. В данной статье используется расчет методом конечных элементов сварной конструкции рабочего колеса промышленного вентилятора в программном комплексе APM FEM для КОМПАС-3D v23.0.0.8. Конструкция моделировалась в программе КОМПАС V23, сварные швы конструкции по ГОСТ 14771–76-Т3 смоделированы с помощью приложения «Неразъемные соединения». В местах расположения сварных швов применено преобразование швов в тело, для учета их при генерации сетки конечных элементов.

Результаты. На основании проведённого анализа можно утверждать, что конструкция обладает высоким запасом вибрационной устойчивости при номинальных нагрузках. Увеличение количества сварных швов с двух до четырёх на каждую лопатку рабочего колеса промышленного вентилятора при проектировании конструкции, незначительно повышает значения появления резонанса. Таким образом, конструкция может быть рекомендована к изготовлению с минимальным количеством сварных швов, а именно по два на каждую лопатку.

Заключение. Проведённый анализ сварной конструкции рабочего колеса промышленного вентилятора с использованием программного комплекса APM FEM показал, что при исследовании на наличие собственных частот, конструкция сохраняет прочностную и геометрическую устойчивость, а полученные числовые значения появления резонанса сильно превышают значения, возможные при эксплуатации. Для варианта с двумя швами на лопатку собственные частоты пяти первых форм составили: 357,42; 363,01; 363,36; 365,73 и 367,13 Гц. Для варианта с четырьмя швами соответствующие частоты составили: 383,33; 391,77; 394,39; 396,63 и 397,18 Гц. Полученные числовые значения предполагаемого вхождения в резонанс соответствуют требованиям нормативных документов.

1. Котельников А.А., Григоров И.Ю., Гречухин А.Н. Математическое моделирование в сварочном производстве. Курск, 2024.

2. Григоров И. Ю. Исследование прочности сварной конструкции «промышленный счетчик газа» при нагружении внутренним статическим давлением в программном комплексе APM FEM // Известия Юго-Западного государственного университета. 2025. Т. 29, № 2. С. 8-23. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2025-29-2-8-23.

3. Котельников А.А., Натаров А.С. Исследование распределения напряжений, возникающих при нагружении, в сварных соединениях методом конечных элементов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2019. Т. 23, № 4. С. 19–30.

4. Котельников А. А., Абышев К. И., Алпеева Е. В. Применение метода конечных элементов в расчётах сварных конструкций. Курск, 2014. 125 с. EDN: SDMWBD

5. Фирсанов В.В., Макаров П.В. Особенности расчёта собственных частот и форм колебаний рабочих колёс компрессоров газотурбинного двигателя применительно к решению задачи флаттера // Труды МАИ. 2012. №55. С. 1–15. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-rascheta-sobstvennyh-chastot-i-form-kolebaniy-rabochih-koles-kompressorov-gazoturbinnogo-dvigatelya-primenitelno-k

6. Ефимик В.А., Михайлов А.П., Сухоруков А.В. Применение расчётноэкспериментальной методики проектирования многослойных конструкций с трубчатым заполнителем // Проблемы прочности и пластичности. 2023. Т. 85, № 2. С. 45–56. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-raschetno-eksperimentalnoy-metodiki-proektirovaniya-mnogosloynyh-konstruktsiy-s-trubchatym-zapolnitelem

7. Мокин Н. А., Кустов А. А., Ганджунцев М. И. Численное исследование естественной частоты и колебаний форм воздухоопорных конструкций // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2018. №4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/chislennoe-issledovanie-sobstvennyh-chastot-i-form-kolebaniy-vozduhoopornyh-sooruzheniy.

8. Comparative analysis of strength and modal characteristics of a full tubular pump and an axial flow pump impellers based on fluid–structure interaction / L. Shi, J. Zhu, L. Wang, S. Chu, F. Tang, Y. Jin // Energies. 2021; 14(19): 6395. https://doi.org/10.3390/en14196395

9. Vibration analysis of a high-pressure multistage centrifugal pump / Y. Zhang, J. Liu, X. Yang, H. Li, S. Chen, W. Lv, W. Xu, J. Zheng, D. Wang // Scientific Reports. 2022; 12: 20293. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22605-2

10. Improved calculation method for dry modal analysis of four-stage centrifugal pump with corrected stiffness and inertia / J. Li, J. Chen, H. Zhang, F. Wang // PLOS ONE. 2024; 19(4): e0306061. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0306061

11. Lima D.Z., Costa E., Mucheroni M. Modal analysis and structural optimization of integrated impeller/rotor components for centrifugal compressors // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2024; 67(6): 1235–1249. https://doi.org/10.1007/s00158-024-03746-6

12. Jasim H., Al-Obaidi A., Kadhum A. Experimental and FEM vibration analysis of impellers used for water pump // International Journal of Engineering and Applied Physics. 2023; 5(3): 45–52. URL: https://ijeap.org/ijeap/article/view/134

13. Chi J. Optimization of vane pump structure based on modal characteristic analysis // Extrica. 2023; (спецвыпуск) 23692: 1–10. URL: https://www.extrica.com/article/23692Extrica

14. Wang W., et al. Investigation on pressure pulsation and modal behavior of full-scale RCP impeller // Environmental Systems Engineering. 2021; (естественный журнал Wiley) 3: e904. https://doi.org/10.1002/ese3.904

15. Radgolchin M., Anbarsooz M. Investigating the effects of shroud and blade thickness profiles on aeromechanical behavior and fatigue life of 17-4PH impellers // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2023; (Article 104948): 1–11. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2023.104948

16. Vibration characteristics analysis and structural optimization of a volute-less centrifugal fan frame / L. Zhou, K. Liang, D. Zheng, C. Wang, M. Li, T. He, L. Guo, L. Zheng // Applied Sciences. 2025; 15(9): 5069. https://doi.org/10.3390/app15095069

17. Hatami Garousi M., Karimi M. A novel modal analysis approach for impellers combining test data and FEM // IRJMETS. 2024; 12(12): 65466. https://doi.org/10.56726/IRJMETS65466