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汽輪機葉片長期運行在極為復(fù)雜的工作條件下，并在運行中承受著拉力、扭力和振動應(yīng)力等組成的復(fù)雜應(yīng)力。汽輪機的葉片通過葉根與轉(zhuǎn)子上的葉輪和輪緣聯(lián)接在一起作高速旋轉(zhuǎn)，對于葉片、葉輪等強度分析，最早是用建立在理論分析基礎(chǔ)上的簡化公式或經(jīng)驗公式進(jìn)行分析計算的，需要對模型進(jìn)行大量的簡化工作，將葉片簡化為葉根固定的變截而梁，輪緣按作用有離心載荷的三維實體進(jìn)行強度分析。對于強度問題而言，由于葉片自身的強度問題往往涉及葉根與輪緣甚至銷釘之間的相互作用，既難以通過解析方式求解，也很難以一種工程簡化方法精確分析。
有限元分析方法為解決這些復(fù)雜的設(shè)計分析計算問題提供了有效的手段。有限元應(yīng)力分析可用于確定結(jié)構(gòu)在外部載荷作用下所引起的應(yīng)力應(yīng)變，用于靜強度校核、耐久性分析、損傷容限分析、設(shè)計階段研制試驗項口選擇、關(guān)鍵部位的確定、材料選擇、強度驗證試驗中載荷情況確定等，同時也是整機和部件傳力分析的重要依據(jù)。而使用數(shù)值訓(xùn)一算可以通過材料的彈塑性模型、接觸分析等技術(shù)對工程實際中的擠壓變形、過盈裝配等進(jìn)行一定程度上的逼近，較好模擬工程實際的效果。
本研究對一種帶銷釘鉚接結(jié)構(gòu)的135MW汽輪機高壓級封口末葉片進(jìn)行三維有限元強度分析，基于分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，尋求封口末葉片的最優(yōu)設(shè)計方案。
T型或雙倒T型葉根是汽輪機常見的葉根形式，常用于汽輪機高中壓級，在這些級，封口末葉片可采用插入式的鉚接結(jié)構(gòu)，如圖所示。同T型葉根相比，有銷釘?shù)你T接結(jié)構(gòu)的葉根和輪緣由銷釘連接起來，銷釘孔減弱了承載截而的強度和剛度，而且受力接觸而比T型葉根要小。在汽輪機運行時，這些因素都使得封口末葉片的葉根應(yīng)力可能大于其它葉片的葉根應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或加工制造不符合要求時，極易造成葉根損壞或銷釘斷裂等安全事故。
本研究針對某135 MW汽輪機高壓級封口末葉片進(jìn)行強度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究。該級汽輪機動葉片150只，由于結(jié)構(gòu)對稱，取如圖所示的一個基本結(jié)構(gòu)扇區(qū)進(jìn)行研究。此末葉片長度215 mm，葉根和輪緣由兩根直徑為13 mm的銷釘鉚接起來。
本研究應(yīng)用非線性有限元分析軟件MSC.MARC對末葉片進(jìn)行強度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究。采用分塊建立模型的方法，用八節(jié)點六而體單元分別對圍帶、葉片、葉根、輪緣以及銷釘進(jìn)行建模，然后將圍帶，葉片和葉根采用粘接方式聯(lián)接成為整體。葉片整體和輪緣，輪緣與銷釘，銷釘與葉根均采用一般接觸模型。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格建模，在接觸區(qū)域進(jìn)行了必要的細(xì)化。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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