CN105912825A - 一种基于ansys的叶轮结构热应力影响下的模态分析方法 - Google Patents

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门秀花
张琨
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Abstract

本发明提供了一种基于ANSYS的叶轮结构热应力影响下的模态分析方法。本发明技术方案如下：利用solidworks参数化建模法建立叶轮结构的三维模型；将叶轮结构三维模型导入到有限元分析软件ANSYS，在ANSYS软件前处理模块中，完成对单元类型、材料属性、材料参数的设定，并划分有限元网格；对叶轮结构通过线性插值方法施加温度载荷，对叶轮结构进行热分析；将热分析结果耦合到结构单元，进行静力学分析，得到叶轮结构的热应力；以所得热应力结果为基础，对叶轮结构进行含预应力的模态分析，得到前五阶固有频率。本发明的有益效果：为叶轮结构故障机理研究提供了理论基础。

Description

一种基于ANSYS的叶轮结构热应力影响下的模态分析方法
技术领域
本发明涉及一种机械结构的有限元分析方法，尤其涉及一种基于ANSYS的叶轮结构热应力影响下的模态分析方法。
背景技术
旋转机械运行时，长期处于高温状态，受到温度场影响，容易造成机械结构的整机振动。严重的热效应会造成叶片断裂、转子失稳和发动机结构的破坏，导致重大运行事故发生。本发明提出了一种基于ANSYS的叶轮结构热应力影响下的模态分析方法，可以为叶轮结构故障机理研究提供理论基础。
发明内容
为了克服上述技术问题，本发明提供了一种基于ANSYS的叶轮结构热应力影响下的模态分析方法。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：
步骤一：叶轮结构的三维建模，利用solidworks参数化建模法进行三维建模，得到叶轮结构的三维模型；
步骤二：建立叶轮结构的有限元模型，将叶轮结构三维模型导入到有限元分析软件ANSYS，在ANSYS软件前处理模块中，完成对单元类型、材料属性、材料参数的设定，并划分有限元网格，得到叶轮结构的有限元模型；
步骤三：叶轮结构的热分析，对叶轮结构通过线性插值方法施加温度载荷，通过ANSYS软件的热分析模块，对叶轮结构进行热分析，得到热分析结果；
步骤四：叶轮结构的静力学分析，将热分析结果耦合到结构单元，进行静力学分析，得到叶轮结构的热应力；
步骤五：叶轮结构热应力影响下的模态分析，以热应力结果为基础，对叶轮结构进行含热应力的模态分析，得到前五阶固有频率。
进一步地，所述的步骤三中对叶轮结构通过线性插值方法施加温度载荷，具体方法为根据实际工况，在柱坐标下对所述叶轮结构有限元模型等半径的节点施加相同的温度载荷。
本发明的有益效果：利用计算机辅助三维建模软件solidworks在复杂三维模型建模方面的优势，采用参数化建模方法建立精准的叶轮结构模型，弥补了有限元软件在建模方面的劣势；再结合ANSYS强大的网格划分和计算能力，得到叶轮结构在热应力下前五阶固有频率，这为叶轮结构故障机理研究提供了准确、可靠的理论基础。
附图说明
图1为本发明的工作流程图；
图2为本发明的叶轮结构的立体结构图；
图3为本发明的叶轮结构的径向温度分布示意图。
具体实施方式
参照说明书附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，是本发明一种基于ANSYS的叶轮结构热应力影响下的模态分析方法的工作流程图。主要有2大部分组成，分别由两个软件来实现。详细步骤如下：
步骤一：叶轮结构的三维建模，利用solidworks参数化建模法进行三维建模，得到叶轮结构的三维模型，如图2所示；
步骤二：建立叶轮结构的有限元模型，将叶轮结构三维模型导入到有限元分析软件ANSYS，在ANSYS软件前处理模块中，完成对单元类型、材料属性、材料参数的设定，并划分有限元网格，得到叶轮结构的有限元模型，其中关键就是单元类型的选择和材料参数的设置：单元类型选择能与结构单元相匹配的热单元，以Solid90为例，材料参数的设置与材料的性质和温度有关，以K4002合金为例，具体参数如表1所示；
表1 不同温度下K4002合金材料参数
步骤三：叶轮结构的热分析，对叶轮结构通过线性插值方法施加温度载荷，如图3所示，通过ANSYS软件的热分析模块，对叶轮结构进行热分析，得到热分析结果，其中关键就是对叶轮结构通过线性插值方法施加温度载荷，具体方法为根据实际工况，在柱坐标下对所述叶轮结构有限元模型等半径的节点施加相同的温度载荷；
步骤四：叶轮结构的静力学分析，将热分析结果耦合到结构单元，进行静力学分析，得到叶轮结构的热应力，其中关键就是热单元到结构单元的转换、约束的设定和载荷的施加，将热单元Solid90转换为结构单元Solid95，根据叶轮结构的实际工作情况，确定约束为叶轮结构的中心孔，分别限制x、y、z三个方向的移动和绕y、z轴的转动，确定载荷为叶轮结构整体绕x轴的转动，转速以1000rad/s为例；
步骤五：叶轮结构热应力影响下的模态分析，以热应力结果为基础，对叶轮结构进行含热应力的模态分析，得到热应力影响下叶轮结构的前五阶固有频率，如表2所示
表2 热应力影响下叶轮结构的前五阶固有频率
。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的范围内，可轻易想到的变化，都应涵盖在发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于ANSYS的叶轮结构热应力影响下的模态分析方法，其特征在于：所述方法通过solidworks软件建立叶轮结构三维模型、通过ANSYS软件对叶轮结构的热应力影响下的模态进行分析，具体分析方法包括以下步骤：
步骤一：叶轮结构的三维建模，利用solidworks参数化建模法进行三维建模，得到叶轮结构的三维模型；
步骤二：建立叶轮结构的有限元模型，将叶轮结构三维模型导入到有限元分析软件ANSYS，在ANSYS软件前处理模块中，完成对单元类型、材料属性、材料参数的设定，并划分有限元网格，得到叶轮结构的有限元模型；
步骤三：叶轮结构的热分析，对叶轮结构通过线性插值方法施加温度载荷，通过ANSYS软件的热分析模块，对叶轮结构进行热分析，得到热分析结果；
步骤四：叶轮结构的静力学分析，将热分析结果耦合到结构单元，进行静力学分析，得到叶轮结构的热应力；
步骤五：叶轮结构热应力影响下的模态分析，以热应力结果为基础，对叶轮结构进行含热应力的模态分析，得到前五阶固有频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于ANSYS的叶轮结构热应力影响下的模态分析方法，其特征在于，所述的步骤三中对叶轮结构通过线性插值方法施加温度载荷，具体方法为根据实际工况，在柱坐标下对所述叶轮结构有限元模型等半径的节点施加相同的温度载荷。
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