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CAE/模拟仿真 |
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SAMCEF软件在涡轮机结构分析方面的应用 |
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作者：北京东方极峰科 徐志程 周传月 |
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1. 引言
涡轮机关键部件，例如叶片、轮盘、机匣等旋转部件或者高温部件的应力计算历来是涡轮机设计中最为关心的问题，尤其是叶片轮盘的接触应力计算分析和振动特性分析。
仿真技术作为数字化的先进产品研发技术，具有成本低、速度快、流程可控性高、知识库积累方便等特点。Samtech 公司是欧洲最大的CAE 公司之一，拥有世界功能强大的有限元分析SAMCEF。在叶片轮盘接触分析方面，其它有限元软件均以非线性模式计算分析，这样计算时间较长，而且接触收敛性很难保证。SAMCEF 软件在这方面独具特色，其线性静力分析模量ASEF 就可以考虑接触问题，计算时间大大缩短。
2. 燃气轮机叶片轮盘强度计算
某燃气轮机两个带冠叶片安装在一个榫槽内，需要考虑叶片和轮盘在高速旋转情况下的应力，以评估叶片和轮盘结构的结构完整性。
如图 1 所示为叶片轮盘几何模型，取一个扇区轮盘和叶片作为分析对象。两只叶片之间定义接触装配，叶片榫齿与轮盘榫齿之间定义接触装配。图2 为叶片有限元网格，其中齿根接触部分采用六面体单元划分，其余部分采用10 节点四面体单元划分。
图 1 几何模型
图 2 叶片有限元网格
图 3 和图4分别为叶片轮盘应力云图和叶片应力云图。
图 3 叶片轮盘应力云图
图 4 叶片应力云图
3. 燃气轮机承载部件强度计算
燃气轮机承载部件几何图形如图 5 所示，由三个实体组成，实体1 为塑性材料（本构关系如图6），实体2 和实体3 为弹性材料；实体1 和实体2、实体2 和实体3 互相接触，实体3 在表面6 个凸起部位施加固定位移约束（如图7），实体1 在表面6 个凸起部位施加压紧方向位移1.06mm，在实体1 的内环凸起处施加分离方向力6500N；网格在局部细化，总网格数为78429 个（如图8），结果如图9-12 所示，分别显示了整体和局部的塑性变形和应力。
图 5 几何模型
图 6 塑性材料本构关系
图 7 边界条件
图 8 有限元模型
图 9 塑性变形
图 10 塑性变形（施加力部位）
图 11 应力云图
图 12 施加力部位应力云图
4. 叶片动力响应分析
8 只试验叶片，每只叶片肩部的间隙均为0.2mm。在第一只叶片的肩部施加一动态载荷。使用Samcef Mecano 和Samcef Field 分析叶片瞬态响应。
图 13 叶片模型
Samcef Field 中的有限元模型见图13 和图14。叶片肩部定义接触单元。叶片根部固定，第一只叶片肩部施加一周期变化动态载荷。载荷幅值为100N，频率为100Hz，作用时间为2 个周期0.02s。载荷－时间曲线见下图15。
计算结果输出见图 13 和图14。其中图16 为系统动能随时间变化曲线，图17 为外力功随时间变化曲线。位移和应力动画见附录的动画文件。
此例在使用其它有限元软件时均遇到了迭代不收敛问题，使用Samcef 软件迎刃而解。
图14 8个叶片模型
图15 动态载荷
图16 系统动能随时间变化
图17 外力功随时间变化
Samcef Mecano 在处理非线性的动力学问题和多体动力学分析功能独具特色，可以帮助用户解决很多复杂的动力学问题，或者其它软件无法解决的问题。(end)
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(7/24/2009) |
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