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三维接触有限元分析在汽轮机设计中的应用

发布于:2016-09-10 17:19
有限元分析

      汽轮机的叶片通过叶根与转子上叶轮的轮缘联接在一起作高速旋转,对于叶片、叶轮等强度分析,最早是用建立在理论分析基础上的简化公式或经验公式进行分析计算的,需要对模型进大量的简化,将叶片简化为叶根固定的变截面梁,轮缘按作用有离心载荷的三维实体进行强度分析,这些方法由于在模型和载荷等方面进行较大的简化,其分析结果所体现的是平均值,不能真实反映模型受载后各点的应力情况,尤其是应力集中部位的情况,靠经验用安全系数进行校准,这种方法已不能适应目前快速、精确的设计需要,但这种传统的方法用于判断数值分析结果的合理性还是有一定的参考价值,随着有限元分析理论的完善和计算机技术的发展,用有限元等数值计算方法来分析结构的强度已成现代设计的重要组成部分,目前用有限元技术分析单个零件的强度在工程上已得到较普遍的应用。
      在汽轮机设计中用有限元法分析叶片与轮缘的强度时,常规的处理方法是将这两部分分开,在接触面上施加法向位移约束,也就是把接触面作为完全接触处理,独立进行分析,这样忽略了接触面间的变形协调关系,计算中存在一定的不合理性。实际上叶根与轮缘间,在径向和轴向均存在接触面接触面间的受力情况与接触状态密切相关,静态时完全接触的接触面,在汽轮机高速旋转情况下,接触体的变形将改变静止状态下的接触情况,若按常规的有限元分析方法,势必会给力学计算带来明显的误差,甚至会影响零件强度安全性的判断。受有关汽轮机厂的委托,对某一机组的末级扭叶片及轮缘进行强度分析,按常规的有限元分析时,发现其最大应力所在位置与实际情况有差异,为此不得不用更详细精确的分析模型及分析方法。
      近年来,随着非线性理论的不断完善和计算机技术的飞速发展,利用非线性有限元法按接触问题来分析装配体的强度,已日趋成熟。提出的面面接触模型是把两接触休分为主动体和被动体,在模型接触面上覆盖一层接触单元,在分析时研究主动体上接触表面的节点变形与被动体上接触表面的节点变形,然后从边界变形协调的变分原理出发,建立整个接触系统的控制方程。ANSYS支撑刚体-柔体的面-面的接触单元,刚性面被当作“目标”面,分别用Targel70来模拟2 D和3D的“目标”面,柔性体的表面被当作“接触”面,用Contal7x,eontal72,eontal73来模拟目标单元和接触单元跟踪变形阶段的运动,构成一个接触对的目标单元和接触单元通过共享的实常号联系起来。由于接触问题是一种高度非线性行为,且在求解问题之前,不知道接触区域,表面之间是接触或分开是未知的,是突然变化的,这与载荷、材料、边界条件等因素有关,按实际接触情况进行分析存在一定的技术难点,迄今为止,用二维接触解决工程实际中的接触问题已有研究,但用三维接触研究工程实际中装配体的强摩尚未见到详细的报道。现尝试按产品的实际结构及接触状况,建立叶片与叶轮的三维接触模型,在接触界面上施加接触单元,用ANSYSApp对汽轮机中叶片、轮缘等关键部件的强度进行详尽的分析。
      汽轮机中的叶片是通过叶片根部(叶根)与叶轮或转鼓的轮缘联接在一起作高速旋转,要求叶根与轮缘的固定应该是牢靠的,在任何运行条件下保证在转子中位不变。根据厂方提供的型线部分各截面的数据、外包T型叶根及轮缘的施工图,建立末级扭叶片与叶轮的装配结构图,叶片通过叶根装配于叶轮的轮缘中,在外包T型叶根与轮缘间在径向有两对接触面(I、II),轴向也有两对接触面(m、vr),叶片图与轮缘间通过接触面来传递运动和动力。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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