復(fù)合材料的汽輪機(jī)葉片三維建模及有限元分析

吳 濤

華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074

葉片是燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)、水泵、水輪機(jī)以及各類(lèi)飛機(jī)、船舶螺旋槳等機(jī)械設(shè)備中的關(guān)鍵零件和重要裝置。汽輪機(jī)葉片是一種復(fù)雜的三維空間曲面，無(wú)法運(yùn)用直觀有效的數(shù)學(xué)方程描述，致使設(shè)計(jì)、加工制造都有一定的難度，運(yùn)用UG曲面造型功能對(duì)葉片進(jìn)行CAD三維建模，并導(dǎo)入patran中，對(duì)復(fù)合材料的葉片進(jìn)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(jì)制造提供幫助和依據(jù)，并對(duì)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(qiáng)組分和基體構(gòu)成。

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

研究發(fā)現(xiàn)，葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(kāi)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(shí)加工成型存在一定的難度。結(jié)合復(fù)合材料的特點(diǎn)，可見(jiàn)復(fù)合材料對(duì)于應(yīng)用在汽輪機(jī)葉片這個(gè)領(lǐng)域是具有很大潛力的?，F(xiàn)今風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的材料開(kāi)始采用了復(fù)合材料，專(zhuān)家預(yù)測(cè)中國(guó)風(fēng)力發(fā)電正在逐步進(jìn)入高速發(fā)展期，復(fù)合材料的使用將不斷增大。對(duì)于汽輪機(jī)葉片這一領(lǐng)域的材料開(kāi)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(shù)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很大程度上實(shí)現(xiàn)葉片的減重，其比重僅為鋼的四分之一，而隨著葉片重量的減輕，傳動(dòng)軸、平臺(tái)等也可以輕量化，從而可整體降低汽輪機(jī)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(gè)開(kāi)放式、多功能的三維MCAE軟件包，具有集工程設(shè)計(jì)、工程分析、和結(jié)果評(píng)估功能于一體的、交互圖形界面的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(shí)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(shí)在現(xiàn)有的模型和設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)汽輪機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，使其與真實(shí)情況相符。

進(jìn)行有限元分析的汽輪機(jī)葉片材料采用碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱(chēng)碳纖維）和鉻鋼進(jìn)行對(duì)比分析。

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

采用一種梁?jiǎn)卧c實(shí)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(jìn)行分析計(jì)算。

2.2 施加載荷及有限元求解

對(duì)模型在對(duì)話(huà)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(qiáng)：P=4MPa，溫度t=435℃。對(duì)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(duì)葉片應(yīng)力進(jìn)行分析。加載求解應(yīng)力圖如圖1：

圖1 葉頂未固定時(shí)的應(yīng)力圖

3 結(jié)果與分析

葉頂未加以固定時(shí)，可以看出：1）葉邊緣處應(yīng)力、應(yīng)變變化相對(duì)較大；2）可以看出靠近汽輪機(jī)葉片過(guò)渡處的的應(yīng)力比較大，對(duì)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(diǎn)2386處最大變形量達(dá)到0.594mm。汽輪機(jī)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(zhǎng)期受重力和旋轉(zhuǎn)時(shí)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(gè)位置也是葉片長(zhǎng)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(diǎn)4075處應(yīng)力達(dá)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(diǎn)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(guò)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(diǎn)3052處為0.0224mm，加載條件與實(shí)際情況相符，相比于葉頂未固定的情況變形量減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。

綜合可以看出，在汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)和制造時(shí)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(duì)于葉身與葉頂、葉根的銜接處的設(shè)計(jì)應(yīng)注意圓弧過(guò)渡來(lái)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(shì)，可以考慮適當(dāng)增加葉頂?shù)闹亓?。同時(shí)本文的雙叉型葉根動(dòng)葉片，各截面型心連線(xiàn)是一條空間曲線(xiàn)，曲線(xiàn)各點(diǎn)不可能與離心力作用線(xiàn)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(duì)葉片進(jìn)行安裝計(jì)算，目的通過(guò)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(dá)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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