概述 旋转机械是一种在工业生产中常见的工业设备，如抽尘泵、水轮机、发电机、电动机、风机、压缩机、离心机、汽轮机等。高速旋转的机械设备在运行中会受到离心力以及其他复杂的工况，有限元仿真可以对设备的静力特性和动力特性进行有效的评估，对设备的安全运行起到重要的作用。水轮机作为一种常见的旋转机械，广泛的应用于水力发电设施中，是一种将机械能转化为电能的设施，水轮机的安全可靠运行将直接影响企业效益。但近年来，水电站运行资料显示，水轮机转轮经常产生疲劳破坏，甚至断裂，这成为水轮机组运行及我国水电事业发展的潜在威胁，成为业内人士关注的重点。
在设计、运维阶段，静力分析可以对各种工况下的应力分布进行精准有效的判断，从而提高结构的安全性。对结构进行模态分析，了解结构的固有频率和阵型，可以有效避免共振的发生，若叶片长期在共振的状态下工作，将很容易产生疲劳损伤。当损伤已经发生，模态分析也可以对故障进行初步的判断。如出现裂纹等情况导致结构的物理参数发生变化，结构的固有频率、阵型等亦随之改变。
本例展示了利用AIFEM对抽尘泵、水轮机等旋转机械关键组件的静力、模态分析结果。AIFEM提供了惯性离心力载荷、压力载荷、旋转对称边界条件等特色功能，针对性解决各类旋转机械仿真问题。 抽尘泵案例 本案例的仿真对象为一个抽尘泵的转轮。 1. 抽尘泵转轮仿真条件设定
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(b) |
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(d) |
图1 抽尘泵转轮几何与 格模型
转轮的几何模型如图 1所示。本分析采用一阶四面体固定应力单元，对转轮进行静力、自由模态分析。静力分析在中心转轴处固定，并对整个转轮施加绕转轮中轴线的离心力载荷，转速为10000rpm。
2.抽尘泵转轮静力分析结果
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| (a) |
(b) |
图2 抽尘泵在离心力载荷作用下的(a)位移与(b)Mises应力云图
*变形放大系数为500。
3. 抽尘泵转轮模态分析结果
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| (a)第一阶模态 | (b)第二阶模态 |
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| (c)第三阶模态 | (d)第四阶模态 |
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| (e)第五阶模态 | |
图3 抽尘泵的前5阶非刚体位移模态阵型
*变形放大系数为0.155。
水轮机案例 1. 活动导叶仿真条件设定
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| (a) | (b) | (c) |
图4 活动导叶的几何和 格模型
活动导叶的几何模型如图4所示。叶片的造型类似机翼，一侧弧度大、一侧弧度小。弧度大的一面为正面、弧度小的一面为反面。活动导叶是水轮机导水机构的主体，两端端分别固定在底环和顶盖上，形状为流线型，调节导叶开度可以达到调节流量的目的。
本分析采用一阶四面体固体应力单元，对导叶进行静力分析。
图5 活动导叶边界条件的施加
如图5所示，对导叶的各个面编 ，面F固定在底环上，施加轴向位移约束uz=0，面A固定在导叶拐臂上，施加横向位移约束ux=uy=0，面D为插入到底座的部分，施加横向位移约束ux=0，面B和面E施加横向位移约束ux=0。
在叶片两侧施加表面压力。每种工况主要提供导叶瓣体正反面的压力值。正面为直接受到水流冲击的一面，一般大于反面压力。每种工况加载不同的载荷，载荷大小如表 1所示。
表1 导叶的三种工况
2. 顶盖仿真条件设定
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