涡轮盘-片耦合场及接触问题的热弹塑性分析

　　1 有限元建模

　　本文采用PRO/E Wildfire3.0建立涡轮叶片,流场及轮盘的实体模型,见图1。

　　将在PRO/E中创建好的叶片实体导入到ANSYS中,然后以IGES格式导入已经创建好的流场实体。运用布尔运算对叶片和流场实体进行交迭运算,然后对叶身和叶根进行加运算,得到FLORAN CFD分析用的模型,选择FLUID142单元进行网格划分得到流体分析有限元模型。由于接触传热和结构分析时不对流场区域进行求解,因此要清除这部分网格,而接触分析的对象是叶片和轮盘,所以要通过导入轮盘模型以建立接触分析模型。在导入轮盘实体后采用FLUID142单元划分网格,然后清除流体区域单元并将FLUID142单元转换至SOLID70单元,最后通过创建目标面和接触面定义接触对,并选用Targe170和Conta174单元生成接触对单元,这样得到热分析有限元模型。

　　在导入轮盘实体后采用FLUID142单元划分网格,然后清除流体区域单元并将FLUID142单元转换为SOLID185单元,最后生成接触单元则得到结构分析有限元模型。文中有限元模型见图2,其中叶片材料号为2,单元编号为1-86094;流场材料号1,单元编号为86095-194374,轮盘材料号3,单元编号为194375-201211。接触分析中Targe170单元编号为201212-203027,Conta174单元编号203028-204388。

　　2 材料数据及启动载荷谱

　　2.1 叶片与轮盘的材料参数

　　2.2 载荷数据

　　取典型启动工况进行耦合场及接触问题的热弹塑性分析,载荷数据见表3。

　　3 分析方法和过程

　　3.1 分析方法介绍

　　本文有限元分析方法是在物理环境法[3]的基础上经过改进得到的,即在计算机中建立三个文件夹以代替物理环境法分析时在ANSYS程序中建立的物理环境文件,创建流体分析、热分析和结构分析有限元模型并分别保存在这三个文件夹中,然后在各文件夹中进行分析求解,同时可以相互读取结果文件作为当前分析的载荷加载。本文分析思路见图3。

　　3.2 求解设置

　　(1)流体分析求解选项及边界条件

　　设置流体入口温度、进口速度以及出口压力,把流场边界作为壁面处理,即设定边界处速度为0;选择瞬态不可压缩紊流分析,并在各载荷步流体属性中设置启动过程相应的流体密度、导热系数等参数,设置结果输出选项为温度和压力;为确保求解收敛一般设置流体属性中人工粘度为0.1-0.01之间。

　　(2)接触传热设置

　　轮盘叶片之间通过榫槽和榫头进行接触换热,其热传导系数由接触面的压力、表面粗糙度、材料特性等因素决定。由于真实情况下除接触换热,榫头与榫齿之间存在着与其间隙内流场相关的对流换热。因此这里的接触换热系数可由一估计值给出,使两者之间存在一个合理的温差。本文TCC(接触导热系数)取值为2500。