有限元分析能力 – AxSTRESS

不会破损的低效率叶片性能上优于只靠空气动力学分析得到的高效的叶片。 这就是为什么一旦完成三维叶片的空气动力学设计,就应该研究它的结构特性。

AxSTRESS是一种快捷的使用有限元方法的结构、模态和谐波分析求解器,它有叶轮机械特定的可自定义的自动网格生成器。 AxSTRESS还可以执行坎贝尔和干涉(SAFE)图表计算以及热分析计算,从而考虑运行时叶片反扭的影响。

前处

从AxSTREAM®项目数据库中读取数据,以定义叶片几何形状、空气动力载荷和材料属性以及转速、叶片数量、边界条件等。这样可以简化前处理操作并防止人为错误。

叶片附件和叶盘设计

AxSTRESS可用于创建带附件的叶片以及整体叶盘。 可以在嵌入式附件库中创建和存储用于叶片根部、轮盖、轮盘和拉筋的不同种类的附件模板,并且可以使用交互式功能来设计这些附件模板。

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图1 AxSTRESS 叶片轮盘设计

 

一旦进入库,就可以对它们进行缩放和移动,以适应相同或不同项目中的不同叶片。传统或标准附件也可以导入附件库并进行修改。

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图2 AxSTRESS 材料库中多种多样的附件模板

 

这样可以在设计类似的叶片附件时大大节省时间。 此外,AxSTRESS允许通过单击设置叶片根部和轮盘之间的间隙值。

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图3 AxSTRESS 叶片叶根和轮盘的间隙值设置

 

此外,重新加载叶片几何时附件的自动保存功能可以显著减少迭代时间和人为错误(无需重建附件)。 AxSTRESS通过合并表面上所有方向上的所有节点,自动确定叶片和轮盘之间的接触面和模型的相互接触作用。

 

网格

AxSTRESS使用内部叶轮机械专用网格生成器(映射六面体用于叶片,三角形用于附件),其根据网格密度提高圆角中的网格质量,从而在应力集中位置获得更高精度的结果。

对于翼型,AxSTRESS生成映射网格以获得更准确的结果。 在叶片和附件(叶片根部和轮盖)之间创建均匀圆角或者在叶片的前缘和后缘之间创建可变的圆角,以减小应力集中。

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图4 AxSTRESS 网格划分

 

分析和后

此外,为了提高精度,AxCFD计算结果可用作结构计算的空气动力载荷、离心、压力和热负荷也可在设计和非设计工况下考虑。

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图5 AxSTRESS 静态分析计算结果

 

以下不同类型的分析可在AxSTRESS中执行:

  • 静态分析:允许计算不同方向上的应力和位移值。
  • 模态分析:包括计算系统给定数量的固有频率及其模态形状,并可在考虑预应力效应的同时,选择模拟多个叶片组装在同一个组中。
  • 谐波计算:用于计算系统在给定频率下的稳态正弦负载下的响应。
  • “热到冷”和“冷到热”计算:确定系统在“热”状态(运行工况)和“冷”状态(制造后)之间的几何变换,这是由于叶片在动流中旋转时的反扭。
  • 坎贝尔和干扰(SAFE)图:说明固有频率和常见激励力之间的干扰,以定位可能阻止叶轮机械安全运行的潜在(坎贝尔)和实际(使用节点直径的干扰)旋转速度。 用户可以输入旋转速度范围,模态数量和级数以进行分析。
Finite-campbell图6 坎贝尔图(左)
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和干扰图(右)

图6 坎贝尔图(左)和干扰图(右)

 

此外,AxSTRESS还具有出色的后处理功能,包括显示直接方向上的位移和应力云图,以及在自定义层面上显示结果等。

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图7 应力在自定义截面(左)和整个叶盘(右)上的分布情况

一旦叶片及其附件完成后,可将其几何图形导出到CAD软件以获取制造图纸。