汽轮机叶片静态和动态应力的三维有限元分析Ξ.pdfVIP

第 16 卷　第 3 期 应 用 力 学 学 报 . 16　 . 3 V o l N o 1999 年 9 月 CH INESE JOURNAL OF APPL IED M ECHAN ICS Sep. 1999 汽轮机叶片静态和动态应力的三维有限元分析 谢永慧　王乐天　袁　奇　孟庆集 ( 西安交通大学　西安　710049) 摘　　要 提出了一种三维实体混合单元模型来分析汽轮机叶片静态和动态应力。考虑到 转动叶片的刚性变化, 静应力的计算采用了非线性方法, 在分析叶片的动频后, 应用 模态迭加法计算了叶片的响应, 得到了叶片的动态应力。从文中的实际叶片算例可以 看出, 所提供的分析模型可以精确直观地反映叶片的静态和动态应力状况, 为工程中 实际叶片的固有频率和静动应力分析提供了强有力的工具。 关键词: 叶片; 应力; 三维; 有限元 1　前　言 叶片在汽轮机中承担着把蒸汽等的热能转化为机械能的重要任务, 是汽轮机中最重要的 零部件之一。叶片在运行时, 不但承受着稳态的离心力和气流力, 还承受着由于气流不均匀性 引起的激振力的作用, 叶片事故时有发生, 约占汽轮机事故的 40% , 叶片事故引起的损失往往 [ 1 ] 占汽轮机事故损失的一半左右 。这就使得如何评价汽轮机叶片的安全性十分重要, 稳态载荷 ( ) ( ) 离心力和稳态气流力 产生的静态应力和动态载荷 激振力 产生的动应力是分析叶片安全性 的基础, 在这方面, 国内外曾 有人用二维有限元方法对叶根和用厚壳单元及扭曲梁单元对型 线部分进行分析, 但由于分析模型离真实叶片尚存在一些差距, 因此有其局限性。 针对以上情况, 本文采用三维实体混合单元模型来分析叶片的静应力、动频和动应力。在 静应力分析中, 考虑到转动叶片的刚性变化, 采用了非线性计算方法。最后用这一模型分析了 一个实际 680 叶片的静态应力、动频和动应力, 提供了叶片的应力等值线图和振动的振型 mm 图。计算结果表明所建立的模型是精确、合理的。 2　汽轮机叶片静态和动态应力分析模型及计算方法 2 1　叶片计算的三维有限单元 线性八节点协调单元[ 2 ] 由于简单并且计算量少, 因而应用比较广泛。但是这种单元在承受 来稿日期: 修回日期: © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 90 应 用 力 学 学 报 第 16 卷 弯曲载荷时, 由于寄生剪切效应, 计算变形比实际结构真实变形要小, 有时可能会使计算结果 发生严重失真, 因此对于承受气流力的汽轮机叶片来说, 这种单元模型是不太合适的。三维八 [ 3 ] 节点非协调单元 是在线性八节点协调单元的基础上, 在单元内部增加了九个自由度, 大大改 善了单元的抗弯性能, 保证了使用此单元对承受弯曲载荷叶片作应力分析结果的正确性。但在 另一方面, 三维八节点非协调单元在大畸变网格时不宜采用, 因为难以保证其解的收敛性, 可 能使计算结果精度下降。对于汽轮机叶片来说, 有时由于叶身与叶根过渡平台存在结构变化较 大, 不太容易剖分出规则的三维实体单元, 需要采用协调单元进行计算, 而其它部分剖分出来 的单元形状一般是比较规则的, 文中采