燃气轮机机座静力分析

1.问题描述

某型燃气轮机机座结构由支撑板、轴承座和外缸体组成，各部件之间实际用焊接或螺栓连接。该机座主要用于承受约35t的转子重量，约150N·m的转矩，材料为铁镍高温合金GH4169，其中弹性模量为1.999×10¹¹ Pa，泊松比为0.3，密度为8240kg/m³，其他相关参数在分析过程中体现。若忽略高温高压高速气体对其作用以及各部件之间的连接关系，求该机座的最大应力与变形。

2.有限元分析过程

（1）启动Workbench 18.0 在“开始”菜单中执行【ANSYS 18.0】→【Workbench 18.0】命令。

（2）创建结构静力分析项目

1）在工具箱【Toolbox】的【Analysis Systems】中双击或拖动结构静力分析项目【Static Structural】到项目分析流程图，如图4-50所示。

2）在Workbench的工具栏中单击【Save】，保存项目工程名为Turbine struts.wbpj。有限元分析文件保存在D：\AWB\Chapter04文件夹中。

（3）确定材料参数

1）编辑工程数据单元，右键单击【Engineering Data】→【Edit】。

2）在工程数据属性中增加新材料：单击【Outline of Schematic A2：Engineering Data】→【Click here to add a new material】，输入新材料名称GH4169。

3）在左侧单击【Physical Properties】展开→双击【Density】→【Properties of Outline Row 4：Gh4169】→【Table of Properties Row 2：Density】→【Density】=8240kg m^-3。

4）在左侧单击【Linear Elastic】展开→双击【Isotropic Elasticity】→【Properties of Outline Row 4：GH4169】→【Young’s Modulus】=1.999E+11pa。

5）单击【Properties of Outline Row 4：GH4169】→【Poisson’s Ratio】=0.3，如图4-51所示。

图4-50 创建结构静力分析项目

图4-51 创建新材料

6）单击工具栏中的【A2：Engineering Data】关闭按钮，返回到Workbench主界面，新材料创建完毕。

（4）导入几何模型 在结构静力分析项目上，右键单击【Geometry】→【Import Geometry】→【Browse】，找到模型文件Turbine struts.agdb，打开导入几何模型。模型文件在D：\AWB\Chapter04文件夹中。

（5）进入Mechanical分析环境

1）在结构静力分析项目上，右键单击【Model】→【Edit】进入Mechanical分析环境。

2）在Mechanical的主菜单【Units】中设置单位为Metric（mm，kg，N，s，mV，mA）。

（6）为几何模型分配材料属性 支撑机座分配材料：在导航树里单击【Geometry】展开→【Turbine struts】→【Details of“Turbine struts”】→【Material】→【Assignment】=GH4169，其他默认。

（7）划分网格

1）在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Defaults】→【Relevance】=80，【Sizing】→【Size Function】=Adaptive，【Relevance Center】=Medium，【Element Size】=50mm，其他默认。

2）在标准工具栏上单击，选择机座模型，然后在导航树上右键单击【Mesh】，从弹出的菜单中选择【Insert】→【Method】→【Details of“Automatic Mesh”】→【Definition】→【Meth-od】→【Hex Dominant】，其他默认。

3）在标准工具栏上单击，选择缸体外表面，然后右键单击【Mesh】→【Insert】→【Method】→【Face Meshing】，其他默认，如图4-52所示。

4）生成网格，右键单击【Mesh】→【Generate Mesh】，图形区域显示程序生成的六面体单元网格模型，如图4-53所示。

图4-52 选择缸体外表面

图4-53 划分网格(www.xing528.com)

5）网格质量检查，在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Quality】→【Mesh Metric】=Skewness，显示Skewness规则下网格质量详细信息，平均值处在好水平范围内，展开【Statistics】显示网格和节点数量。

（8）施加边界条件

1）在导航树上单击【Structural（A5）】。

2）施加轴承力，在标准工具栏上单击，然后选择轴承座内表面，接着在环境工具栏上单击【Loads】→【Bearing Load】→【Details of“Bearing Load”】→【Definition】→【Define By】=Components，【Y Component】=350000N，如图4-54所示。

3）施加转矩，在标准工具栏上单击，然后选择轴承座内表面，接着在环境工具栏上单击【Loads】→【Moment】→【Details of“Moment”】→【Definition】→【Define By】=Components，【Z Component】=150000N·mm，如图4-55所示。

4）施加约束，在机座外缸两端面分别施加固定约束与位移约束，单击选择面图标，选择机座前端面，然后在环境工具栏上单击【Supports】→【Fixed Support】，如图4-56所示；接着选择机座后端面，在环境工具栏上单击【Supports】→【Displacement】→【Details of“Dis-placement”】→【Definition】，【X Component】=0，【Y Component】=0，【Z Component】=Free，如图4-57所示。

图4-54 施加轴承载荷

图4-55 施加转矩载荷

图4-56 施加固定约束

图4-57 施加位移约束

（9）设置需要的结果

1）在导航树上单击【Solution（A6）】。

2）在求解工具栏上单击【Deformation】→【Total】。

3）在求解工具栏上单击【Stress】→【Equivalent（von Mises）】。

（10）求解与结果显示

1）在Mechanical标准工具栏上单击进行求解运算。

2）运算结束后，单击【Solution（A6）】→【Total Deformation】，图形区域显示结构静力分析得到的机座总变形分布云图，如图4-58所示；单击【Solution（A6）】→【Equivalent Stress】，显示机座等效应力分布云图，如图4-59所示。

（11）保存与退出

1）退出Mechanical分析环境，单击Mechanical主界面的菜单【File】→【Close Mechanical】退出环境，返回到Workbench主界面，此时主界面的项目管理区中显示的分析项目均已完成。

图4-58 机座总变形云图

图4-59 机座等效应力云图

2）单击Workbench主界面上的【Save】按钮，保存所有分析结果文件。

3）退出Workbench环境，单击Workbench主界面的菜单【File】→【Exit】退出主界面，完成项目分析。

点评：本实例为某型燃气轮机机座静力分析，分析重点为6个支撑板对结构的支撑作用。除了关注轴承载荷、转矩载荷、位移约束施加外，建议对实体模型尽量采用六面体网格。