2022/07/18

【技术】智能结构仿真软件AIFEM在旋转机械中的应用


概述


旋转机械是一种在工业生产中常见的工业设备,如抽尘泵、水轮机、发电机、电动机、风机、压缩机、离心机、汽轮机等。高速旋转的机械设备在运行中会受到离心力以及其他复杂的工况,有限元仿真可以对设备的静力特性和动力特性进行有效的评估,对设备的安全运行起到重要的作用。水轮机作为一种常见的旋转机械,广泛的应用于水力发电设施中,是一种将机械能转化为电能的设施,水轮机的安全可靠运行将直接影响企业效益。但近年来,水电站运行资料显示,水轮机转轮经常产生疲劳破坏,甚至断裂,这成为水轮机组运行及我国水电事业发展的潜在威胁,成为业内人士关注的重点。

在设计、运维阶段,静力分析可以对各种工况下的应力分布进行精准有效的判断,从而提高结构的安全性。对结构进行模态分析,了解结构的固有频率和阵型,可以有效避免共振的发生,若叶片长期在共振的状态下工作,将很容易产生疲劳损伤。当损伤已经发生,模态分析也可以对故障进行初步的判断。如出现裂纹等情况导致结构的物理参数发生变化,结构的固有频率、阵型等亦随之改变。

本例展示了利用AIFEM对抽尘泵、水轮机等旋转机械关键组件的静力、模态分析结果。AIFEM提供了惯性离心力载荷、压力载荷、旋转对称边界条件等特色功能,针对性解决各类旋转机械仿真问题。


抽尘泵案例


本案例的仿真对象为一个抽尘泵的转轮。

1. 抽尘泵转轮仿真条件设定

图1(c).png

图1(b).png

(a)

(b)

图1(a).png

图1(d).png

(c)

(d)

图1  抽尘泵转轮几何与网格模型

转轮的几何模型如图 1所示。本分析采用一阶四面体固定应力单元,对转轮进行静力、自由模态分析。静力分析在中心转轴处固定,并对整个转轮施加绕转轮中轴线的离心力载荷,转速为10000rpm。

2.抽尘泵转轮静力分析结果

图2(a)U.png

图2(b)Mises.png

(a)

(b)

图2 抽尘泵在离心力载荷作用下的(a)位移与(b)Mises应力云图

*变形放大系数为500。

3. 抽尘泵转轮模态分析结果

图3(a)mode1.png

图3(b)mode2.png

(a)第一阶模态

(b)第二阶模态

图3(c)mode3.png

图3(d)mode4.png

(c)第三阶模态

(d)第四阶模态

图3(e)mode5.png

(e)第五阶模态

图3 抽尘泵的前5阶非刚体位移模态阵型

*变形放大系数为0.155。


水轮机案例


1. 活动导叶仿真条件设定

图2(a).png

图2(b).png

图2(c).png

(a)

(b)

(c)

图4 活动导叶的几何和网格模型

活动导叶的几何模型如图4所示。叶片的造型类似机翼,一侧弧度大、一侧弧度小。弧度大的一面为正面、弧度小的一面为反面。活动导叶是水轮机导水机构的主体,两端端分别固定在底环和顶盖上,形状为流线型,调节导叶开度可以达到调节流量的目的。

本分析采用一阶四面体固体应力单元,对导叶进行静力分析。

图3.png

图5 活动导叶边界条件的施加

如图5所示,对导叶的各个面编号,面F固定在底环上,施加轴向位移约束uz=0,面A固定在导叶拐臂上,施加横向位移约束ux=uy=0,面D为插入到底座的部分,施加横向位移约束ux=0,面B和面E施加横向位移约束ux=0。

在叶片两侧施加表面压力。每种工况主要提供导叶瓣体正反面的压力值。正面为直接受到水流冲击的一面,一般大于反面压力。每种工况加载不同的载荷,载荷大小如表 1所示。

表1.png

表1 导叶的三种工况

2. 顶盖仿真条件设定

图4(a).png

图4(b).png

图4(c).png

(a) 

(b) 

(c) 

图6 顶盖的几何和网格模型

完整的顶盖模型如图6(a), (b)所示,仿真对象为图6(c)中的1/4顶盖模型。顶盖在水轮机中属于一个支撑部件,顶盖上的两圈法兰孔,分别通过螺栓与活动导叶(内圈开孔)和座环(外圈开孔)相连接。

本分析采用一阶四面体固体应力单元,对顶盖进行进行静力分析。

图5(a).png

图7(b).png

(a) 

(b) 

图7 顶盖模型载荷的施加

顶盖模型的边界条件为旋转对称边界条件,仿真对象为全周模型的1/4。除此之外,固定外圈法兰盘上的所有节点,即表面D上的所有节点(见图7(a)),施加固定位移约束。

顶盖下表面受到水流压力,下端受压部分分为表面A, B和C(见图 7(b)),施加不同的压力。三种工况下施加的压力如表 3所示。整个顶盖模型受到重力。重力加速度的大小为9.8066m/s2,方向为沿着z轴负方向。

表2.png

表2 顶盖的三种工况

3. 活动导叶静力分析结果

图8(a)lc1_mises.png

图8(b)lc2_mises.png

图8(c)lc3_mises.png

(a)额定水头

(b)最大水头

(c)升压水头

图8 活动导叶在三种工况下的Mises应力分布场

*变形放大系数为500。

4.顶盖静力分析结果对称性

图9(a).png

图9(b).png

(a) 

(b) 

图9(c).png

图9(d).png

(c) 

(d) 

图9 顶盖仿真结果的对称性

将分析结果的云图沿着两个镜像对称面复制,可以得到完整的结果云图。图 9(a), (b)为额定水头下的完整的位移幅值的云图分布,图 9(c), (d)为实际仿真的区域。可以看到,仿真结果不仅存在两个镜像对称面(4重旋转轴C4),而且存在旋转对称性,具有一个12重旋转轴C12。所有的仿真结果都满足这样的旋转对称性。

5.顶盖静力分析结果

图10(a).png

图10(b).png

图10(c).png

(a) 额定水头

(b) 最大水头

(c) 升压水头

图10 顶盖在三种工况下的Mises应力分布场


与其他商业有限元软件计算结果对比



*表3 转轮静力分析结果对比

表3.png

*表4 转轮振动频率(Hz)结果对比

2.png

*表5 活动导叶静力分析结果对比

表5-1.png

表5-2.png

表5-3.png

*表6 顶盖静力分析结果对比

表6-1.png

表6-2.png

表6-3.png

总结


1. 仿真结果显示,AIFEM可以对各个工况下的水轮机受力情况进行精确的仿真。将旋转机械的转动转化为惯性系中的等效惯性力,使用静力分析仿真在役机械的受力状态。AIFEM提供的模态分析方法可以提供结构的本征模态与阵型,有效预测结构的共振频率和振动状态。

2. AIFEM提供的旋转对称边界条件可以有效简化模型规模,保留结果旋转对称性的同时,提高仿真结果的效率。