论文--Abaqus前处理二次开发在低压外缸计算中的应用

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1、Abaqus前处理二次开发在汽轮机低压外缸计算中的应用摘要：低压外缸的分析计算，需要建立一个由壳单元和梁单元组成的有限元模型。不同单元节点之间的自由度是不同的，为了保证力和力矩的连续传递，需要在不同单元节点的连接处定义多点约束MPC（MultiPointConstraints），工作量巨大。利用Python语言做基于Abaqus的前处理二次开发，实现了自动批量定义MPC的功能，并通过计算验证，大大提高了汽轮机设计的效率和效益。关键词：Abaqus，低压外缸，二次开发，MPC，PythonApplicationofSecondDe

2、velopmentforForeTreatmentofAbaqusintheCalculationofLPOuterCasingAbstract:ForAnalysisofLPoutercasing,itisnecessarytosetupafiniteelementmodelincludingshellelementandbeamelement.Therearedifferentactivedegreesoffreedombetweendifferentnodes.Inordertoensurethetransmitoffor

3、cesandmoments,thedefinitionofMPC（MultiPointConstraints）inthecouplingbetweenthedifferentelementsisnecessary,whichwillcostalotofworkload.TheautomaticbatchdefinitionofMPCsinAbaquscanberealizedbythescriptwhichmadebyPythonlanguage.Accordingthecalculationverification,thesc

4、riptcanimprovetheefficiencyandbenefitofsteamturbinedesignworkgreatly.KeyWords:Abaqus，LPOuterCasing，SecondDevelopment，MPC，Python一、前言低压外缸是汽轮机上非常重要的部件，也是体积最大的部件。低压外缸的尺寸和整个汽轮机机组的功率成正比，汽轮机功率越大，所需要的低压排汽面积也越大。在现有的机组中，我公司最大的低压外缸排汽面积已达26平方。由于低压外缸工作压力为背压，几乎是真空状态，尺寸的庞大随之带来了巨大的真

5、空力，低压外缸的刚度和强度成为了低压外缸设计中的难点，为了确保低压外缸运行中的安全，必须对低压外缸进行有限元分析。低压外缸由钢板焊接而成，钢板很薄在20cm-40cm左右，从外部看像一个大的“铁皮房子”，内部由大量的钢架和钢板支撑。所以低压外缸本质上是一种大跨空间结构。所以需要对低压外缸进行强度、刚度和稳定性的分析和考核。（图1）8图1低压外缸的结构示意图在低压外缸的计算分析过程中，需要工程师花费大量的时间和精力建立有限元网格模型，尤其是多点约束MPC（MultiPointConstraints）的定义，人工操作费时费力且容易漏

6、定义。如果对前处理进行二次开发，使其能够实现自动捕捉和定义MPC的功能，可以大大提高工作效率和计算精度，将工程师从繁琐的重复性体力劳动中解放出来。我公司最广泛使用的有限元前处理软件是Abaqus/CAE，本文介绍了基于Abaqus/CAE实现自动定义MPC功能的二次开发。二、有限元模型由于低压外缸主要是由钢板焊接而成，而且汽缸尺寸十分之巨大，且钢板厚度很薄。如果采用全三维实体单元计算，则划分的网格尺寸将较大，单元网格质量差，导致计算精度大大降低。而使用壳单元（shell）划分网格既可以大大降低计算量，又可以增加网格密度，大大提高

7、计算精度。因此在低压外缸的计算中通常采用壳单元（shell、Quad4单元）和梁单元（Beam单元）相结合的方法来建立有限元的分析模型。壳单元节点有六个自由度，分别为ux、uy、uz、θx、θy和θz。壳单元的节点具有三个方向平动和三个方向的转动自由度。在线弹性板壳理论的基本假设当中θz自由度不能通过直接求解平衡方程得到，而是通过节点在中面内的相对位置转动来表现。为了避免平衡方程线性相关而导致计算结果不唯一，同时也为了方便计算程序的编制和前后处理，在有限元程序中，人为地引入了对应于θz自由度的非零刚度系数Kθz。人为引入的平面内

8、转动刚度系数Kθz不会影响到其它自由度的计算结果，但由于壳单元的θz自由度计算结果与Kθz直接相关，所以程序直接输出的节点θz结果是不真实的。8梁单元节点也有三个平动和三个转动自由度，即ux、uy、uz、θx、θy和θz。与壳单元不同，梁单元的六个自由度都是由平