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          2022/07/18

          【技術】智能結構仿真軟件AIFEM在旋轉機械中的應用


          概述


          旋轉機械是一種在工業生產中常見的工業設備,如抽塵泵、水輪機、發電機、電動機、風機、壓縮機、離心機、汽輪機等。高速旋轉的機械設備在運行中會受到離心力以及其他復雜的工況,有限元仿真可以對設備的靜力特性和動力特性進行有效的評估,對設備的安全運行起到重要的作用。水輪機作為一種常見的旋轉機械,廣泛的應用于水力發電設施中,是一種將機械能轉化為電能的設施,水輪機的安全可靠運行將直接影響企業效益。但近年來,水電站運行資料顯示,水輪機轉輪經常產生疲勞破壞,甚至斷裂,這成為水輪機組運行及我國水電事業發展的潛在威脅,成為業內人士關注的重點。

          在設計、運維階段,靜力分析可以對各種工況下的應力分布進行精準有效的判斷,從而提高結構的安全性。對結構進行模態分析,了解結構的固有頻率和陣型,可以有效避免共振的發生,若葉片長期在共振的狀態下工作,將很容易產生疲勞損傷。當損傷已經發生,模態分析也可以對故障進行初步的判斷。如出現裂紋等情況導致結構的物理參數發生變化,結構的固有頻率、陣型等亦隨之改變。

          本例展示了利用AIFEM對抽塵泵、水輪機等旋轉機械關鍵組件的靜力、模態分析結果。AIFEM提供了慣性離心力載荷、壓力載荷、旋轉對稱邊界條件等特色功能,針對性解決各類旋轉機械仿真問題。


          抽塵泵案例


          本案例的仿真對象為一個抽塵泵的轉輪。

          1. 抽塵泵轉輪仿真條件設定

          圖1(c).png

          圖1(b).png

          (a)

          (b)

          圖1(a).png

          圖1(d).png

          (c)

          (d)

          圖1  抽塵泵轉輪幾何與網格模型

          轉輪的幾何模型如圖 1所示。本分析采用一階四面體固定應力單元,對轉輪進行靜力、自由模態分析。靜力分析在中心轉軸處固定,并對整個轉輪施加繞轉輪中軸線的離心力載荷,轉速為10000rpm。

          2.抽塵泵轉輪靜力分析結果

          圖2(a)U.png

          圖2(b)Mises.png

          (a)

          (b)

          圖2 抽塵泵在離心力載荷作用下的(a)位移與(b)Mises應力云圖

          *變形放大系數為500。

          3. 抽塵泵轉輪模態分析結果

          圖3(a)mode1.png

          圖3(b)mode2.png

          (a)第一階模態

          (b)第二階模態

          圖3(c)mode3.png

          圖3(d)mode4.png

          (c)第三階模態

          (d)第四階模態

          圖3(e)mode5.png

          (e)第五階模態

          圖3 抽塵泵的前5階非剛體位移模態陣型

          *變形放大系數為0.155。


          水輪機案例


          1. 活動導葉仿真條件設定

          圖2(a).png

          圖2(b).png

          圖2(c).png

          (a)

          (b)

          (c)

          圖4 活動導葉的幾何和網格模型

          活動導葉的幾何模型如圖4所示。葉片的造型類似機翼,一側弧度大、一側弧度小?;《却蟮囊幻鏋檎?、弧度小的一面為反面?;顒訉~是水輪機導水機構的主體,兩端端分別固定在底環和頂蓋上,形狀為流線型,調節導葉開度可以達到調節流量的目的。

          本分析采用一階四面體固體應力單元,對導葉進行靜力分析。

          圖3.png

          圖5 活動導葉邊界條件的施加

          如圖5所示,對導葉的各個面編號,面F固定在底環上,施加軸向位移約束uz=0,面A固定在導葉拐臂上,施加橫向位移約束ux=uy=0,面D為插入到底座的部分,施加橫向位移約束ux=0,面B和面E施加橫向位移約束ux=0。

          在葉片兩側施加表面壓力。每種工況主要提供導葉瓣體正反面的壓力值。正面為直接受到水流沖擊的一面,一般大于反面壓力。每種工況加載不同的載荷,載荷大小如表 1所示。

          表1.png

          表1 導葉的三種工況

          2. 頂蓋仿真條件設定

          圖4(a).png

          圖4(b).png

          圖4(c).png

          (a) 

          (b) 

          (c) 

          圖6 頂蓋的幾何和網格模型

          完整的頂蓋模型如圖6(a), (b)所示,仿真對象為圖6(c)中的1/4頂蓋模型。頂蓋在水輪機中屬于一個支撐部件,頂蓋上的兩圈法蘭孔,分別通過螺栓與活動導葉(內圈開孔)和座環(外圈開孔)相連接。

          本分析采用一階四面體固體應力單元,對頂蓋進行進行靜力分析。

          圖5(a).png

          圖7(b).png

          (a) 

          (b) 

          圖7 頂蓋模型載荷的施加

          頂蓋模型的邊界條件為旋轉對稱邊界條件,仿真對象為全周模型的1/4。除此之外,固定外圈法蘭盤上的所有節點,即表面D上的所有節點(見圖7(a)),施加固定位移約束。

          頂蓋下表面受到水流壓力,下端受壓部分分為表面A, B和C(見圖 7(b)),施加不同的壓力。三種工況下施加的壓力如表 3所示。整個頂蓋模型受到重力。重力加速度的大小為9.8066m/s2,方向為沿著z軸負方向。

          表2.png

          表2 頂蓋的三種工況

          3. 活動導葉靜力分析結果

          圖8(a)lc1_mises.png

          圖8(b)lc2_mises.png

          圖8(c)lc3_mises.png

          (a)額定水頭

          (b)最大水頭

          (c)升壓水頭

          圖8 活動導葉在三種工況下的Mises應力分布場

          *變形放大系數為500。

          4.頂蓋靜力分析結果對稱性

          圖9(a).png

          圖9(b).png

          (a) 

          (b) 

          圖9(c).png

          圖9(d).png

          (c) 

          (d) 

          圖9 頂蓋仿真結果的對稱性

          將分析結果的云圖沿著兩個鏡像對稱面復制,可以得到完整的結果云圖。圖 9(a), (b)為額定水頭下的完整的位移幅值的云圖分布,圖 9(c), (d)為實際仿真的區域??梢钥吹?,仿真結果不僅存在兩個鏡像對稱面(4重旋轉軸C4),而且存在旋轉對稱性,具有一個12重旋轉軸C12。所有的仿真結果都滿足這樣的旋轉對稱性。

          5.頂蓋靜力分析結果

          圖10(a).png

          圖10(b).png

          圖10(c).png

          (a) 額定水頭

          (b) 最大水頭

          (c) 升壓水頭

          圖10 頂蓋在三種工況下的Mises應力分布場


          與其他商業有限元軟件計算結果對比



          *表3 轉輪靜力分析結果對比

          表3.png

          *表4 轉輪振動頻率(Hz)結果對比

          2.png

          *表5 活動導葉靜力分析結果對比

          表5-1.png

          表5-2.png

          表5-3.png

          *表6 頂蓋靜力分析結果對比

          表6-1.png

          表6-2.png

          表6-3.png

          總結


          1. 仿真結果顯示,AIFEM可以對各個工況下的水輪機受力情況進行精確的仿真。將旋轉機械的轉動轉化為慣性系中的等效慣性力,使用靜力分析仿真在役機械的受力狀態。AIFEM提供的模態分析方法可以提供結構的本征模態與陣型,有效預測結構的共振頻率和振動狀態。

          2. AIFEM提供的旋轉對稱邊界條件可以有效簡化模型規模,保留結果旋轉對稱性的同時,提高仿真結果的效率。


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