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《离心压缩机叶轮三维有限元强度分析系统ξ》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、第16卷第3期应用力学学报Vol.16No.31999年9月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSSep.1999X离心压缩机叶轮三维有限元强度分析系统邱凯徐自力王尚锦张义忠(西安交通大学西安710049)摘要根据离心压缩机叶轮形状的特点,通过有效的网格自动划分和边界条件的处理,采用三维有限元方法进行了强度计算与分析,从而建立了离心叶轮三维有限元强度分析系统。对于叶轮与主轴之间的过盈配合,求出配合处由于变形而产生的弹性支撑力,以载荷形式施加于配合之处,由于计算时不加入主轴,从而减少了计算工作
2、量,通过等厚度圆盘应力的计算验证了有限元程序的可靠性,最后,对一个实际的三元流叶轮进行了计算,通过编制的后处理软件,对影响叶轮应力状态的各种因素进行了分析,计算结果可为三元流叶轮的结构设计提供帮助。关键词:离心压缩机;有限元;应力1引言[1]对于离心压缩机强度,目前采用轴对称有限元模型进行计算,但对于三元流叶轮来说,则显得过于简单,本文正是针对上述要求,利用三维有限元方法,提出了一种有效的叶轮2叶片系统网格自动生成技巧和程序。开发了离心压缩机叶轮强度计算分析系统,并提出了一种简化的考虑过盈的方法,从而为三元流叶轮设计
3、在强度方面提供了理论依据。2叶轮强度有限元计算的前处理离心压缩机的叶轮形状复杂,且尺寸变化很大,因此,采用有限元计算,前处理工作量很大,如果手工进行网格划分,则不仅繁琐,容易出错,甚至不能完成,本系统针对叶轮的形状特点,将离心压缩机叶轮分为若干子块,包括轮盖、直片、轮盘各子块等,建立拓扑关系,即每一子块与其它子块的相连关系,如图1所示,其中A、B、C、D、E相互连接,用一模块记录它们之间[2]的拓扑关系,对每一部分采用映射的方法,将复杂形状子块映射到正方体形状,通过对正方体区域进行剖分来达到剖分复杂子块的目的,具体实
4、施时,由于要避免各子块相交部分节点编X来稿日期:1997212212;修回日期:1998207207122应用力学学报第16卷号重复,因此采用该方法前,首先通过各子块之间的拓扑关系,确定各子块与其它子块之间的相交部分,对相交部分,沿用第一个包括该边的子块的编号,而其它部分运用稀、密面的方法,从而建立整个网格的总体编号。如果要对整个叶轮进行计算,则不但工作量极大,而且受到计算设备的限制,故根据离心压缩机叶轮结构及所受力周期性重复的特点,不必计算整个叶轮,而只是计算其中一个叶道,因此,网格剖分也仅仅在一个叶道中进行,同时
5、,用一个模块对周期性对应点加以记录,再加上记录材料特性等参数的模块,就完成了图1网格各子块叶轮的前处理。3弹性支撑力的计算离心压缩机叶轮多采用套装叶轮,过盈往往会造成叶轮内孔处切向和径向应力较大,如果不考虑,显然不合理,而采用三维接触单元法来计算又会极大增加计算工作量,为此用以下方法处理:计算时不加入主轴,求出配合点处由于过盈而形成的弹性支撑力,将该支撑力作为载荷,加在配合处每一节点,由于在过盈配合处,叶轮的受力已基本为轴对称情形,而主轴可认为是处于完全轴对称情形,故可根据弹性力学方法[3],求得该处变形为:Rp02
6、2ur2=-22[(1-M2)r+(1+M2)R](1)E1(R-r)而对应处主轴的变形为Rp0ur1=(1-M1)(2)E2其中p0为支撑力,R为轮盘表面对应的半径,r为轴径,如图2所示,如果给定过盈量D,则由于D=ur2-ur1图2弹性支撑力221-M1(1-M2)r+(1+M2)R可得D=rp0[+](3)E1E2根据设计所给处的过盈量,就可求出弹性支撑力p04算例为了验证有限元程序,首先计算一内圈固定,内、外径分别为110m、111m的等厚度圆盘,55计算得到内外圈处等效应力为9.15×10Pa,8.09×1
7、0Pa,与按弹性力学方法计算出的理论55解9.34×10Pa,8.24×10Pa相比,误差在2%以内。在以上验证之后,计算一三元流设计的叶轮的强度,叶片数为17,转速为10250转ö分,弹62性模量为210×10Nöm,泊松比为013,计算单元为20节点等参元,共划分了256个单元,1761个节点。因为气动力相对离心力,对叶轮强度影响小得多,加之确定每一点所受的气动力目前还有较大困难,所以本次计算载荷仅考虑离心力,计算所得应力从节点直接输出,等效应第3期离心压缩机叶轮三维有限元强度分析系统123力按第二强度理论计算,
8、图3为计算所用的网格,图4及图5分别为叶轮及叶片的等应力线,由图可看出:轮盘与主轴配合处应力值较高,而这主要是由于过盈配合造成的,对于整个轮盘来说,基本上是越靠近配合处,应力值越高,这说明过盈配合对于轮盘的应力影响很大,过盈量过大,会使配合处进入塑性区,这与文献[4]结论一致;轮盖和叶片的应力值则相对较小,对于轮盖来说,其最大应力出现在靠近进气
