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汽輪機(jī)葉片長期運(yùn)行在極為復(fù)雜的工作條件下，并在運(yùn)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(jī)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(qiáng)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(yàn)公式進(jìn)行分析計(jì)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(shí)體進(jìn)行強(qiáng)度分析。對于強(qiáng)度問題而言，由于葉片自身的強(qiáng)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(jì)分析計(jì)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(qiáng)度校核、耐久性分析、損傷容限分析、設(shè)計(jì)階段研制試驗(yàn)項(xiàng)口選擇、關(guān)鍵部位的確定、材料選擇、強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)中載荷情況確定等，同時(shí)也是整機(jī)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(shí)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(shí)際的效果。
本研究對一種帶銷釘鉚接結(jié)構(gòu)的135MW汽輪機(jī)高壓級封口末葉片進(jìn)行三維有限元強(qiáng)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(jì)方案。
T型或雙倒T型葉根是汽輪機(jī)常見的葉根形式，常用于汽輪機(jī)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(qiáng)度和剛度，而且受力接觸而比T型葉根要小。在汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，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(jì)不合理或加工制造不符合要求時(shí)，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(jī)高壓級封口末葉片進(jìn)行強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究。該級汽輪機(jī)動葉片150只，由于結(jié)構(gòu)對稱，取如圖所示的一個(gè)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(qiáng)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(diǎn)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(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)│有限元分析│強(qiáng)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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