復(fù)合材料的汽輪機葉片三維建模及有限元分析

2016-11-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

葉片是燃?xì)廨啓C、汽輪機、水泵、水輪機以及各類飛機、船舶螺旋槳等機械設(shè)備中的關(guān)鍵零件和重要裝置。汽輪機葉片是一種復(fù)雜的三維空間曲面,無法運用直觀有效的數(shù)學(xué)方程描述,致使設(shè)計、加工制造都有一定的難度,運用UG曲面造型功能對葉片進行CAD三維建模,并導(dǎo)入patran中,對復(fù)合材料的葉片進行有限元分析,比較葉片各處的應(yīng)力,可以為葉片的設(shè)計制造提供幫助和依據(jù),并對于復(fù)合材料在葉片這一領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

1 葉片材料的選用

復(fù)合材料是由兩種或多種性質(zhì)不同的組分構(gòu)成的材料。材料的各組分具有不同的物理性質(zhì),組分間存在明顯的界面,且復(fù)合材料的性質(zhì)也明顯不同于組分性質(zhì),其由增強組分和基體構(gòu)成。

復(fù)合材料具有高比強度、比模量、各向異性、抗疲勞性好、減振性能好、可設(shè)計性強、加工成型方便,耐候性好、耐腐蝕等特點。

研究發(fā)現(xiàn)、葉片在運轉(zhuǎn)時主要受拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力作用,此外葉片還受到激振作用。眾多葉片失效現(xiàn)象中,主要是疲勞失效腐蝕開裂、塑性變形。

現(xiàn)在的葉片材料廣泛采用鎳鉻的合金,并不能很好的適應(yīng)各種工作環(huán)境,同時加工成型存在一定的難度。結(jié)合復(fù)合材料的特點,可見復(fù)合材料對于應(yīng)用在汽輪機葉片這個領(lǐng)域是具有很大潛力的。現(xiàn)今風(fēng)力發(fā)電機葉片的材料開始采用了復(fù)合材料,專家預(yù)測中國風(fēng)力發(fā)電正在逐步進入高速發(fā)展期,復(fù)合材料的使用將不斷增大。對于汽輪機葉片這一領(lǐng)域的材料開發(fā)具有重要的啟示作用。

碳纖維復(fù)合材料和高性能塑性樹脂基復(fù)合材料以及氮化硅等陶瓷復(fù)合材料都適合作為葉片的材料。高性能碳纖維的引入可以在根大程度上實現(xiàn)葉片的減重,其比重僅為剛的四分之一,而隨著葉片重量的減輕,傳動軸、平臺等也可以輕量化,從而可整體降低汽輪機組的成本。

2 葉片有限元分析

MSC/PATRAN是工業(yè)領(lǐng)域著名的有限元前、后處理器,是一個開放式、多功能的三維MCAE軟件包,具有集工程設(shè)計、工程分析、和結(jié)果評估功能于一體的、變互圖形界面的CAE集成環(huán)境。

PATRAN可以直接將當(dāng)前各主流CAD系統(tǒng)的幾何造型導(dǎo)入用于生成有限元模型,導(dǎo)入的CAD模型保持其原有的格式而不作近似處理,生成的有限元單元、模型的載荷、邊界條件和材料特性均和幾何模型相關(guān)聯(lián)。同時PATRAN包括一系列的幾何造型和編輯功能,不但可以編輯導(dǎo)入的CAD造型以劃分有限元網(wǎng)格,而且可以創(chuàng)建復(fù)雜的幾何造型。

2.1 模型的建立

將UG繪制的三維葉片模型轉(zhuǎn)化成.igs格式,導(dǎo)入patran2007中,同時在現(xiàn)有的模型和設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上對汽輪機葉片的結(jié)構(gòu)進行完善,使其與真實情況相符。

進行有限元分析的汽輪機葉片材料采用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(簡稱碳纖維)和鉻鋼進行對比分析。

材料屬性:復(fù)合材料密度1.76g/cm3,松泊比0.22,楊氏模量250GPa。

采用一種梁單元與實體單元相結(jié)合的高效率的有限元建模方法,建立了該葉片的有限元模型,并利用patran軟件進行分析計算。

2.2 施加載荷及有限元求解

對模型在對話框中輸入材料屬性數(shù)值,分別選擇復(fù)合材料。施加載荷為蒸汽壓強:P=4MPa,溫度t=435℃。對于葉頂部分分別處以不固定和固定的兩種條件操作,便于對葉片應(yīng)力進行分析。加載求解應(yīng)力圖如圖1:

圖1 葉頂未固定時的應(yīng)力圖

3 結(jié)果與分析

葉頂未加“固定時,可以看出:

1)葉邊緣處應(yīng)力、應(yīng)變變化相對較大;

2)可以看出靠近汽輪機葉片過渡處的的應(yīng)力比較大,對于未固定葉頂?shù)娜~片分析可以看出產(chǎn)生的變形不斷增大,在節(jié)點2386處最大變形量達到0.594mm。汽輪機葉片是寬的柔性體,如果僅有葉根被固定而其余部分都懸浮在空中,長期受重力和旋轉(zhuǎn)時的離心力作用將使其撓度變大;

3)葉根及葉頂附近出現(xiàn)應(yīng)力集中,這兩個位置也是葉片長期工作中最容易出現(xiàn)疲勞損壞的位置。最大應(yīng)力發(fā)生在固定部位附近位置,節(jié)點4075處應(yīng)力達到了24.2MPa。

而葉頂加以固定后最大應(yīng)力依舊出現(xiàn)在節(jié)點4075處,應(yīng)力為6.6MPa。另外葉頂處有較大應(yīng)力出現(xiàn),葉身與葉頂、葉根的過渡處應(yīng)力變化也很大。最大變形量出現(xiàn)在葉身中間部分的節(jié)點3052處為0.0224mm加載條件與實際情況相符,相比于葉頂未固定的情況變形量減少一個數(shù)量級。

綜合可以看出,在汽輪機葉片設(shè)計和制造時應(yīng)注意易于出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位,靠近葉根部位應(yīng)力較大,對下葉身與葉頂、葉根的銜接處的設(shè)計應(yīng)注意圓弧過渡來避免應(yīng)力集中。由于在葉頂增加了質(zhì)量,可增加葉片所受的離心力,質(zhì)量增加使葉片自振頻率有降低的趨勢,可以考慮適當(dāng)增加葉頂?shù)闹亓?。同時本文的雙叉型葉根動葉片,各截面型心連線是一條空間曲線,曲線各點不可能與離心力作用線重合,離心力彎矩方向不一定與蒸汽彎矩方向相反,可能相同,這加大了葉片所受應(yīng)力。所以,應(yīng)對葉片進行安裝計算,目的通過改變安裝位置,人為調(diào)整葉片的離心力彎矩的大小方向,達到抵消部分蒸汽力彎矩,使合成應(yīng)力減小并均勻。

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