汽轮机叶片有限元模型分析

汽轮机单个叶片的CAD模型如图3-8所示。ABAQUS分析汽轮机叶片采用了对称循环理论，可以将这个叶片作为一个基本扇区，分析整个叶片的静、动力问题。这个扇区由围带、叶片、叶根组成。整个汽轮机共有104个叶片，因此采用一个扇区建立有限元模型，并利用循环对称理论方法来进行计算可以大大降低建模和计算工作量。图3-9所示为汽轮机的整体模型。材料弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.9g/mm³。

图3-8 汽轮机一个基本扇区的模型

叶片与围带、叶片与拉肋、叶片与叶根之间分别建立模型，并用Tie连接，这样处理可以让叶片与围带、叶片与拉肋、叶片与叶根之间的连接处不需要共节点单元（匹配单元），便于划分网格以及赋予叶片与围带、拉肋以及叶根不同的材料属性。由一个扇区生成的汽轮机局部模型如图3-10、图3-11所示。

图3-9 汽轮机整体模型

图3-10 叶片局部模型

图3-11 轮毂局部模型

如图3-12所示，轮毂与叶根的连接比较复杂，此处采用摩擦接触。ABAQUS提供了丰富的接触属性，用以定义发生接触实体之间的受力特性。本文建立的接触面的接触属性包括法向接触属性和切向接触属性：法向接触属性采用硬接触，切向接触属性采用罚函数法。给定摩擦系数为0.3。

施加如图3-13所示的边界条件和载荷：整体结构施加离心力（频率为50Hz）；叶根底部固定。

图3-12 轮毂与叶根的接触(www.xing528.com)

计算网格如图3-14、图3-15所示，共有38363个单元和44622个节点，轮毂和叶根采用接触传力，所以在接触面附近网格应该比较密，有助于精度的提高。为减小计算量，轮毂靠近圆心附近区域以及叶片的网格可以稀疏些。不同扇区的轮毂之间采用Tie连接，且采用adjust参数调节两个面之间的间隙；不同扇区的叶顶、拉肋之间也采用Tie连接，但这里使adjust参数等于零，不调节它们之间的距离，保证它们之间在叶片静止状态时有相对距离，这是因为转速达到一定值后它们才真正接触。

计算过程：

计算以某一转速转动（50Hz）时汽轮机的应力、应变、位移、叶根与轮毂接触应力等物理量；

提取单叶片的模态；

图3-13 边界条件和载荷

图3-14 计算网格

图3-15 接触面处网格

提取基于1状态下结构的动模态；

在叶片上施加不同频率、不同相位差的简谐分布力，对结构作稳态动力响应分析（谐分析）。