【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  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 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 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 导叶的三种工况

2. 顶盖仿真条件设定

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 顶盖的三种工况

3. 活动导叶静力分析结果

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 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 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4 转轮振动频率(Hz)结果对比

*表5 活动导叶静力分析结果对比

*表6 顶盖静力分析结果对比

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。