基于ANSYS汽輪機轉(zhuǎn)子吊梁的截面分析及輕量優(yōu)化設計

剛培顯

摘 要：針對汽輪機轉(zhuǎn)子吊梁經(jīng)驗設計周期長、材料利用率低、安全裕度大、低應力區(qū)較多等問題，本研究使用Solidworks建立數(shù)字模型，在ANSYA環(huán)境下進行靜力分析及拓撲優(yōu)化設計，以質(zhì)量減少百分比為目標函數(shù)，進行ANSYS迭代計算優(yōu)化，通過對比優(yōu)化前、后的結(jié)構(gòu)應力、應變及變形，為汽輪機轉(zhuǎn)子吊梁的截面選擇和輕量化設計提供有效指導。

關鍵詞：轉(zhuǎn)子;雙H截面;拓撲優(yōu)化;有限元;輕量化

中圖分類號：TH213文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）02-0012-03

Abstract：In view of the long experience design period， low material utilization rate， large safety margin and many low stress areas of the turbine rotor lifting beam， Solidworks was used to establish a digital model in this study， static analysis and topology optimization design were carried out under the environment of ANSYA， taking the mass reduction percentage as the objective function， ANSYS iterative calculation optimization was carried out， andthe structural stress， strain， and deformation before and after optimization were compared， which provided guidance for the section selection and lightweight design of turbine rotor lifting beam.

Keywords： rotor;double H-section;topology optimization;finite element;lightweight

汽輪機是現(xiàn)代火力發(fā)電廠的主要設備，其穩(wěn)定高效的運行對國民經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境改善具有十分重要的意義。汽輪機轉(zhuǎn)子是汽輪機最為精密的核心部件之一，主要由主軸、葉輪和動葉等部分組成[1]，在機組通流內(nèi)部的高溫蒸汽中高速旋轉(zhuǎn)運行，承受高強應力并給發(fā)電機轉(zhuǎn)子傳遞扭矩。轉(zhuǎn)子設計要求具有很高的強度、剛度和動靜平衡度，所有表面均由精加工而成，在搬運吊裝、運輸存放、安裝檢修等各過程環(huán)節(jié)中要保證絕對的安全可靠，任何的劃傷磕碰、外力撞擊或不恰當?shù)牡踹\都有可能造成不可接受的質(zhì)量缺陷，造成高昂的返修費用，甚至是轉(zhuǎn)子報廢或工期延誤，給企業(yè)帶來嚴重的經(jīng)濟損失[2-3]。

1 現(xiàn)狀調(diào)查分析

汽輪機轉(zhuǎn)子件大體重，尺寸精準，配合嚴密，其軸向跨度大，圓周密集分布高精度葉片，沒有專設吊裝點，主要靠兩端軸頸部位作臨時吊點進行保護性起吊。在汽輪機組安裝、檢修過程中，需要頻繁地進行轉(zhuǎn)子吊裝，使其轉(zhuǎn)移存置、調(diào)整就位，這就對轉(zhuǎn)子吊具的強度、剛度及安全度提出了嚴格的要求，以保證轉(zhuǎn)子在吊裝過程中安全可靠，萬無一失。

目前，國內(nèi)成熟的商品化汽輪機轉(zhuǎn)子吊具較少，大多是用戶靠經(jīng)驗公式或類比自主設計，多數(shù)也沒有進行深入的理論優(yōu)化研究。受制造成本和自有生產(chǎn)條件的限制，轉(zhuǎn)子吊具多為雙H截面一字梁結(jié)構(gòu)，安全裕度較大，存在低應力區(qū)較多的問題，有很大的設計優(yōu)化空間。而在工程施工中，國外的圓環(huán)狀截面吊梁也較為多見，與國內(nèi)的等條件吊梁相比，具有體積較小、自重較輕、額定載荷較大的優(yōu)勢。

2 轉(zhuǎn)子吊梁的受力分析

如圖1所示，該吊梁可以簡化為受集中力載荷、帶懸臂的簡支梁，主要承受自身及吊索的重力和被吊物轉(zhuǎn)子的重力，其他外力因素在此不考慮。

3 結(jié)構(gòu)尺寸設計

3.1 截面形狀選擇

根據(jù)以上對轉(zhuǎn)子吊梁的受力狀態(tài)分析及計算公式，在其他同等條件下，吊梁的截面慣性矩決定了其抗彎和抗扭的剛度值，而截面慣性矩的大小由截面形狀決定。本文對最常見的圓形和雙H形截面進行對比，在截面積相等的限制條件下，分別計算得出其慣性矩，如圖2所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙H形截面比圓形截面抗彎抗扭性好，同等條件下，更能節(jié)約材料，質(zhì)量更輕，因此，從優(yōu)化設計角度考慮，要優(yōu)先選用雙H形截面梁。

3.2 截面尺寸設計

根據(jù)經(jīng)驗設計，受彎扭橫梁的截面高度一般取跨度的1/12～1/8，截面寬度可取其高度的0.5～1.0，從成本上考慮，梁高/彎矩取4.2～4.6比系數(shù)最為經(jīng)濟。以某主機廠300 MW反沖結(jié)合汽輪機組低壓轉(zhuǎn)子為例，轉(zhuǎn)子設計輸入?yún)?shù)及初步確定的截面尺寸如圖3所示。

3.3 材質(zhì)選擇

材質(zhì)為普通碳素鋼Q235B，密度[ρ]=7.85×103 ?kg/m3，屈服強度[σs]=235 MPa，泊松比為0.3，彈性模量[E]=200 GPa，安全系數(shù)[n]=5。

4 轉(zhuǎn)子吊梁建模和有限元分析

4.1 三維建模

在Solidworks中建立全尺寸三維模型，取雙H形梁截面，其截面尺寸如圖4所示，忽略對靜力分析結(jié)果影響較小的特征因素，以高效化地進行網(wǎng)格分析及有限元計算。

4.2 有限元分析

模型導入ANSYS Workbench進行前處理分析，選取結(jié)構(gòu)鋼材料模型，設置材料力學性能參數(shù)[4-5]，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。網(wǎng)格采用六面體單元劃分，考慮計算效率和精度網(wǎng)格取100 mm，獲得節(jié)點13 721個和單元2 380個。按照實際工況載荷及吊裝位置，加載集中力載荷850 000 N，考慮自重影響，忽略鋼絲繩及繩吊以上的部分，近似簡化鋼絲繩吊點處為固定約束，如圖5所示。

4.3 求解云圖

如圖6所示，以經(jīng)驗等截面梁設計，吊梁整體安全裕度較大，存在較多的低應力區(qū)，材料利用率較低，有較多的材料冗余。

5 拓撲優(yōu)化

使用Shape Optimization進行輕量化設計，以減輕20%為優(yōu)化目標，進行迭代求解，紅色部分是被允許可以優(yōu)化的區(qū)域。綜合考慮設計制造成本及工藝條件，采用SpaceClaim進行幾何處理，優(yōu)化重建幾何建模，如圖7所示。

6 優(yōu)化設計驗證

在靜力分析模塊下導入優(yōu)化后的轉(zhuǎn)子吊梁模型，進行靜力強度計算，得出計算云圖，如圖8所示。

7 結(jié)果分析

對轉(zhuǎn)子吊梁拓撲輕量優(yōu)化前、后的計算數(shù)據(jù)，進行分析對比，如表1所示。

8 結(jié)語

通過對汽輪機轉(zhuǎn)子吊梁的受力分析，由理論力學公式計算得出，在同等截面積下，雙H形截面比正圓環(huán)截面的慣性矩大，因此轉(zhuǎn)子吊梁的截面取雙H形，它優(yōu)于圓形截面。在雙H形等截面梁的基礎上，采用ANSYS靜力分析并拓撲優(yōu)化計算，找出可優(yōu)化區(qū)域并量化分析，為設計人員指出輕量化設計的優(yōu)化方向和可借鑒的設計方法，提高材料的利用率，從設計源頭節(jié)約材料，減少浪費。

參考文獻：

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[4]郭中澤，張衛(wèi)紅，陳裕澤.結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計綜述[J].機械設計，2007（8）：1-6.

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