CN110688797B - 一种用于汽轮机叉型叶根叶片的有限元计算方法 - Google Patents

Abstract

一种用于汽轮机叉型叶根叶片的有限元计算方法，它涉及一种有限元计算方法，具体涉及一种用于汽轮机叉型叶根叶片的有限元计算方法。本发明为了解决。本发明的具体步骤为在UG‑NX软件中创建三维实体计算模型：采用循环对称算法时叉型叶根叶片和轮缘要包含两个节距的实体；在ANSA软件中对实体模型进行网格划分：将实体模型导入到ANSA中，实体内部接触表面的部分细化网格，并保持实体形状与网格一致；将inp格式网格文件导入有限元分析软件Abaqus中，根据需求定义三维叶片材料数据、运行工况，定义接触、边界和载荷等设置；提交有限元计算方案。本发明属于汽轮机制造领域。

Description

一种用于汽轮机叉型叶根叶片的有限元计算方法

技术领域

本发明涉及一种有限元计算方法，具体涉及一种用于汽轮机叉型叶根叶片的有限元计算方法，属于汽轮机制造领域。

背景技术

叶片长期处在恶劣的工作环境，故障时有发生，强度分析和结构振动特性分析是考量汽轮机叶片安全性能的重要手段之一。

叶片强度与振动特性分析主要应用有限元分析法。有限元分析法能够较为精确的判断叶片的危险区域和最大应力的位置，着重关注叶片结构容易发生损坏的部位。而在进行整圈叶片结构振动特性分析时，如果按照实际整圈叶片结构创建模型进行有限元模拟分析，需要较大的计算机资源和较长计算时间，而且前处理工作也十分繁杂。

发明内容

本发明为解决按照实际整圈叶片结构创建模型进行有限元模拟分析，需要较大的计算机资源和较长计算时间，而且前处理工作也十分繁杂的问题，进而提出一种用于汽轮机叉型叶根叶片的有限元计算方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的具体步骤如下：

步骤一、在UG-NX软件中创建三维实体计算模型：

采用循环对称算法时叉型叶根叶片和轮缘要包含两个节距的实体，叉型叶根叶片的结构形式主要包括叉型叶根叶片的围带、叉型叶根叶片工作部分、叉型叶根叶片中间体、叉型叶根、销钉和叉型轮缘，对叉型叶根叶片的围带和叉型轮缘进行切割处理；

步骤二、在ANSA软件中对实体模型进行网格划分：

将实体模型导入到ANSA中，实体内部接触表面的部分细化网格，并保持实体形状与网格一致；

步骤三、将inp格式网格文件导入有限元分析软件Abaqus中，根据需求定义三维叶片材料数据、运行工况，定义接触、边界和载荷等设置；

步骤四、提交有限元计算方案。

本发明的有益效果是：本发明用于进行叉型叶根叶片的强度分析和结构振动特性分析，得到较为精确的叶片危险区域和最大应力的位置及整圈叶片频率，作为汽轮机叶片安全性的重要指导。

附图说明

图1是汽轮机叉型叶根叶片的有限元计算模型结构示意图；

图2是汽轮机叉型叶根叶片结构示意图；

图3是汽轮机转子结构示意图；

图4是销钉结构示意图；

图1中1-叉型叶根叶片的围带，2-叉型叶根叶片工作部分，3-叉型叶根叶片中间体，4-叉型叶根，5-销钉，6-叉型轮缘，7-转子；

图2中8-围带接触面，9-叉型叶根径向接触面，10-1-第一叶根销钉接触面，10-2-第二叶根销钉接触面，11-第三叶根销钉接触面，12-叶根齿轮槽接触面；

图3中13-第一轮槽销钉接触面，14-第二轮槽销钉接触面，15-轮槽叶根槽接触面，16-第三轮槽销钉接触面，17-1-第一转子端面，17-2-第二转子端面，18-转子中心。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种用于汽轮机叉型叶根叶片的有限元计算方法是通过如下步骤实现的：

步骤一、在UG-NX软件中创建三维实体计算模型：

采用循环对称算法时叉型叶根叶片和轮缘要包含两个节距的实体，叉型叶根叶片的结构形式主要包括叉型叶根叶片的围带1、叉型叶根叶片工作部分2、叉型叶根叶片中间体3、叉型叶根4、销钉5和叉型轮缘6，对叉型叶根叶片的围带1和叉型轮缘6进行切割处理；

步骤二、在ANSA软件中对实体模型进行网格划分：

将实体模型导入到ANSA中，实体内部接触表面的部分细化网格，并保持实体形状与网格一致；

步骤三、将inp格式网格文件导入有限元结构分析软件Abaqus中，根据需求定义三维叶片材料数据、运行工况，定义接触、边界和载荷等设置；

步骤四、提交有限元计算结果。

具体实施方式二：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种用于汽轮机叉型叶根叶片的有限元计算方法的步骤二中划分网格的基本原则是：

步骤A、将叉型叶根叶片的围带1自身画成一体；

步骤B、将叉型叶根叶片工作部分2画成一体；

步骤C、将叉型叶根4与叉型叶根叶片中间体3画成一体；

步骤D、将叉型轮缘6画成一体；

将划分好的叉型叶根叶片的围带1、叉型叶片、叉型叶根4和叉型轮缘6按照实际装配情况在ANSA中装配好后，以inp文件格式导出。

具体实施方式三：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种用于汽轮机叉型叶根叶片的有限元计算方法的步骤三中根据需求定义三维叶片材料数据、运行工况，定义接触、边界和载荷等设置的具体步骤如下：

步骤三(一)、在有限元网格计算模型上定义三维叶片材料数据，包括：

三维叶片材料在不同温度下的密度；

三维叶片材料在不同温度下的线胀系数；

三维叶片材料在不同温度下的弹性模量；

三维叶片材料在不同温度下的塑性数据；

三维叶片材料在不同温度下的导热系数；

三维叶片材料在不同温度下的比热；

将定义好的材料赋给相应的装配体；

步骤三(二)、在有限元网格计算模型上定义前处理需要的三维叶片面集合、节点集合、单元集合、载荷分析场，具体过程为：

定义二十一个三维叶片面集合、六个节点集合、一个单元集合、一个载荷分析场；

所述二十一个三维叶片面集合为：

叶片围带与围带之间的四个接触面；

叶片叶根与叶根之间的两个接触面；

叶根与轮槽接触面之间一个叶根面；

叶片叶根与销钉之间的三个叶根面；

叶根与轮槽接触面之间的一个轮槽面；

叶片轮槽与销钉之间的三个轮槽面；

销钉与叶片叶根、轮槽之间的三个销钉面；

循环对称面、主表面、从表面；

两个叶片压力表面；

所述六个节点集合为：

轮槽进汽侧端面节点、轮槽出汽侧端面节点、轮槽转子中心节点、销钉进汽侧端面中部节点、销钉出汽侧端面中部节点、用于加载热载荷的所有模型节点；

所述一个单元集合为：

用于加载离心力的所有模型单元；

所述一个载荷分析场为：

第一蒸汽压力场；

步骤三(三)、定义三维叶片运行工况包括：

叉型叶根叶片预应力；

叉型叶根叶片起机时强度；

叉型叶根叶片蒸汽弯应力强度；

叉型叶根叶片离心力强度；

叉型叶根叶片蠕变松弛强度；

叉型叶根叶片在跳机时的强度；

叉型叶根叶片在甩负荷时的强度；

叉型叶根叶片整圈动频率；

步骤三(四)、定义三维叶片相关设置：

定义叉型叶根叶片接触设置：叉型叶根叶片围带与围带之间、叉型叶片叶根与叶根之间、叶根与轮槽之间、叶根与销钉之间、轮槽与销钉之间等的位置和摩擦系数；

定义叉型叶根叶片循环对称设置：叉型叶根叶片只数、叶片旋转中心；

定义叉型叶根叶片位移约束设置：叉型叶根叶片转子中心、转子端面；

定义叉型叶根叶片载荷设置：叉型叶根叶片围带与围带之间的过盈载荷、叶根与叶根之间的过盈载荷、叶片蒸汽压力载荷、叶片离心力载荷；

定义叉型叶根叶片温度设置：三维叶片在起机时的、叶片在稳态时的温度、叶片在跳机或甩负荷时的温度、叶片在装配时的温度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于汽轮机叉型叶根叶片的有限元计算方法，其特征在于：所述一种用于汽轮机叉型叶根叶片的有限元计算方法是通过如下步骤实现的：

步骤一、在UG-NX软件中创建三维实体计算模型：

采用循环对称算法时叉型叶根叶片和轮缘要包含两个节距的实体，叉型叶根叶片的结构形式包括叉型叶根叶片的围带（1）、叉型叶根叶片工作部分（2）、叉型叶根叶片中间体（3）、叉型叶根（4）、销钉（5）和叉型轮缘（6），对叉型叶根叶片的围带（1）和叉型轮缘（6）进行切割处理;

步骤二、在ANSA软件中对实体模型进行网格划分：

将实体模型导入到ANSA中，实体内部接触表面的部分细化网格，并保持实体形状与网格一致；

步骤三、将inp格式网格文件导入有限元分析软件Abaqus中，根据需求定义三维叶片材料数据、运行工况，定义接触、边界和载荷设置；

步骤四、提交有限元计算方案；

步骤二中划分网格的基本原则是：

步骤A、将叉型叶根叶片的围带（1）自身画成一体；

步骤B、将叉型叶根叶片工作部分（2）画成一体；

步骤C、将叉型叶根（4）与叉型叶根叶片中间体（3）画成一体；

步骤D、将叉型轮缘（6）画成一体；

将划分好的叉型叶根叶片的围带（1）、叉型叶片、叉型叶根（4）和叉型轮缘（6）按照实际装配情况在ANSA中装配好后，以inp文件格式导出；

步骤三中根据需求定义三维叶片材料数据、运行工况，定义接触、边界和载荷设置的具体步骤如下：

步骤三（一）、在有限元网格计算模型上定义三维叶片材料数据，包括：

三维叶片材料在不同温度下的密度；

三维叶片材料在不同温度下的线胀系数；

三维叶片材料在不同温度下的弹性模量；

三维叶片材料在不同温度下的塑性数据；

三维叶片材料在不同温度下的导热系数；

三维叶片材料在不同温度下的比热；

将定义好的材料赋给相应的装配体；

步骤三（二）、在有限元网格计算模型上定义前处理需要的三维叶片面集合、节点集合、单元集合、载荷分析场，具体过程为：

定义二十一个三维叶片面集合、六个节点集合、一个单元集合、一个载荷分析场；

所述二十一个三维叶片面集合为：

叶片围带与围带之间的四个接触面；

叶片叶根与叶根之间的两个接触面；

叶根与轮槽接触面之间一个叶根面；

叶片叶根与销钉之间的三个叶根面；

叶根与轮槽接触面之间的一个轮槽面；

叶片轮槽与销钉之间的三个轮槽面；

销钉与叶片叶根、轮槽之间的三个销钉面；

循环对称面、主表面、从表面；

两个叶片压力表面；

所述六个节点集合为：

轮槽进汽侧端面节点、轮槽出汽侧端面节点、轮槽转子中心节点、销钉进汽侧端面中部节点、销钉出汽侧端面中部节点、用于加载热载荷的所有模型节点；

所述一个单元集合为：

用于加载离心力的所有模型单元；

所述一个载荷分析场为：

第一蒸汽压力场；

步骤三（三）、定义三维叶片运行工况包括：

叉型叶根叶片预应力；

叉型叶根叶片起机时强度；

叉型叶根叶片蒸汽弯应力强度；

叉型叶根叶片离心力强度；

叉型叶根叶片蠕变松弛强度；

叉型叶根叶片在跳机时的强度；

叉型叶根叶片在甩负荷时的强度；

叉型叶根叶片整圈动频率；

步骤三（四）、定义三维叶片相关设置：

定义叉型叶根叶片接触设置：叉型叶根叶片围带与围带之间、叉型叶片叶根与叶根之间、叶根与轮槽之间、叶根与销钉之间、轮槽与销钉之间的位置和摩擦系数；

定义叉型叶根叶片循环对称设置：叉型叶根叶片只数、叶片旋转中心；

定义叉型叶根叶片位移约束设置：叉型叶根叶片转子中心、转子端面；

定义叉型叶根叶片载荷设置：叉型叶根叶片围带与围带之间的过盈载荷、叶根与叶根之间的过盈载荷、叶片蒸汽压力载荷、叶片离心力载荷；

定义叉型叶根叶片温度设置：三维叶片在起机时的、叶片在稳态时的温度、叶片在跳机或甩负荷时的温度、叶片在装配时的温度。