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涡轮叶片的三维弹性应力分析

作　者: 高学全
导　师: 王健
学　校: 大连理工大学
专　业: 车辆工程
关键词: 涡轮叶片应力分析离心载荷热负荷接触分析
分类号: TK473
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 320次
引　用: 2次
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内容摘要

涡轮叶片是燃气轮机十分重要的零部件,承受着复杂的循环热载荷及机械载荷,为了保证发动机在服役期间的稳定性和可靠性,迫切需要对涡轮叶片的强度进行计算,并对其寿命加以预测和控制。本文围绕涡轮叶片开展其强度研究工作。首先,在商用有限元软件ANSYS环境中建立了涡轮叶片的三维有限元应力分析模型。针对涡轮叶片不同位移边界条件的选取,进行了比较,选取了合适的边界条件,将位移边界条件施加在涡轮叶片的最下面一对榫齿面上,其余榫齿表面施加力边界条件。然后,对涡轮叶片在离心载荷和热载荷等多种载荷作用下,进行了热弹塑性应力(应变)计算。得到叶片在离心载荷及热负荷的联合作用下的应力分布情况:高应力区存在于叶身根部区域:叶片的最大应力值位于前缘叶身与缘板连接处气膜孔处;气膜孔处的等效应力值比相同半径下无孔部位的应力值要高;气膜孔对叶片应力水平的影响随着叶片半径的减小、叶片应力水平的增高而逐渐增大。本文还对过盈配合状态下的榫头、榫槽进行了接触应力分析,结果显示涡轮榫齿、榫槽处的应力水平较高。随着榫头、榫槽间过盈量的增大,榫头和榫槽接触面的接触应力逐渐增大,过盈量增大到一定程度时,榫槽和榫头最大应力会逐渐接近和超过其屈服极限,产生塑性变形。因此,应该合理选取过盈量,并将过盈配合纳入强度计算进行综合分析,使过盈配合既保证榫头、榫槽间有足够的摩擦力,保证榫头、榫槽不会相互脱离,又要保证满足结构强度的要求,并使其产生的不良影响减至最小。通过对涡轮叶片的应力分析的理论研究和数值计算,阐述了涡轮转子叶片弹性分析的研究方法。本方法的适应性较强,它可以计算燃气轮机、风机、汽轮机等多种动力装置的叶片强度。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-16
  1.1 引言  9-10
  1.2 涡轮转子叶片强度分析的意义  10
  1.3 叶片应力的分析方法  10-12
  1.4 国内外叶片应力分析的研究现状  12-14
    1.4.1 国外叶片应力分析的研究现状  12-13
    1.4.2 国内叶片应力分析的研究现状  13-14
  1.5 本文的主要内容和创新点  14-16
    1.5.1 本文的主要内容  14
    1.5.2 本文的创新点  14-16
2 涡轮叶片的三维有限元分析  16-29
  2.1 有限元分析基本理论  16-17
    2.1.1 有限元法的思想  16
    2.1.2 有限元法求解过程  16-17
  2.2 涡轮叶片的有限元应力分析原理  17-28
    2.2.1 几何方程  17-18
    2.2.2 本构方程  18-20
    2.2.3 单元的形函数  20-23
    2.2.4 单元刚度矩阵和总体刚度矩阵  23-24
    2.2.5 变分公式  24-25
    2.2.6 等效节点载荷  25-27
    2.2.7 温度场  27
    2.2.8 节点位移与应力计算  27-28
  2.3 本章小结  28-29
3 涡轮叶片的应力计算与分析  29-42
  3.1 涡轮叶片有限元模型的建立  29-33
    3.1.1 实体模型的建立  29
    3.1.2 ANSYS与UG的接口  29-31
    3.1.3 单元类型的选择  31-32
    3.1.4 网格划分  32-33
  3.2 涡轮叶片的材料参数  33-34
  3.3 计算载荷  34-35
    3.3.1 离心载荷  35
    3.3.2 温度载荷  35
    3.3.3 气动载荷  35
  3.4 边界条件  35-38
  3.5 计算结果及分析  38-40
  3.6 本章小结  40-42
4 榫头和榫槽的接触分析  42-54
  4.1 引言  42
  4.2 接触问题的基本理论  42-45
    4.2.1 接触问题及其基本假定  42
    4.2.2 接触状态分类  42-43
    4.2.3 增量法求解接触问题  43-45
  4.3 ANSYS软件中接触问题的分析方法  45-47
    4.3.1 ANSYS中的接触类型和接触方式  45-46
    4.3.2 ANSYS的接触求解技术  46
    4.3.3 ANSYS的接触分析步骤  46-47
  4.4 榫齿榫槽接触分析  47-53
    4.4.1 接触分析问题模型的建立  47-48
    4.4.2 材料参数  48-49
    4.4.3 计算载荷与边界条件  49-50
    4.4.4 计算结果与分析  50-53
    4.4.5 接触应力对叶身强度分析的影响  53
  4.6 小结  53-54
5 结论与展望  54-56
  5.1 结论  54-55
  5.2 展望  55-56
    5.2.1 本课题尚需完善和改进的工作  55
    5.2.2 涡轮叶片强度分析及相关研究方向需进一步研究的课题  55-56
参考文献  56-61
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  61-62
致谢  62-63

涡轮叶片的三维弹性应力分析

内容摘要

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