[发明专利]一种透平机械叶片的振动应力数值分析方法

摘要

本发明公开一种透平机械叶片的振动应力数值分析方法，包括：1、建立整圈叶片固体区域的FEM模型与周期对称的流体区域的CFD模型；2、获得叶片流体区域网格的稳态压强场分布以及一个气动周期内各个时间步的瞬态压强场分布；3、对压强场分布数据转化；4、进行整圈叶片有限元模态分析；5、获得所有时间步叶片表面的节点力载荷向量；6、模态叠加法求解振动位移响应；7、将位移响应结果扩展为应力结果；8、进行振动应力结果提取与考核。本发明采用非定常计算方法获得叶片表面的压强分布，并通过叶片流体区域网格向固体区域网格压强进行插值以获得准确的气流激振力载荷，提高了计算精度；各个扇区采用CPU+GPU异构并行计算的方式，大幅提升计算速度。

主权项

1.一种透平机械叶片的振动应力数值分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)、给定透平机械叶片的三维模型和材料参数与运行参数，在网格剖分软件中分别建立整圈叶片固体区域的FEM模型与周期对称的流体区域的CFD模型；并将有限元模型的节点编号以及节点坐标，单元编号以及单元对应的节点编号输出到文件Solid.fem中；将材料参数和运行参数输出到文件Blade.dat中；2)、对叶片周期对称模型进行气动分析；利用第1)步中获得的周期对称的流体区域的CFD模型，分析采用RNG k‑ε湍流模型以及非平衡近壁模型，对模型设置工质类型，进口静压、温度、湍流度和叶片出口静压；首先进行定常计算，静叶栅和动叶栅采用冻结转子法，然后将定常结果作为初始场进行非定常计算，瞬态转子的方式进行耦合，取动叶经过一个静叶栅间距时间作为一个气动周期ΔT，时间步长取一个周期ΔT的计算获得非定常计算收敛后的一个周期各个时间步的叶片表面的压强场分布，并计算稳态压强场和脉动压强场，将获得的稳态压强场和脉动压强场数据存储到文件Pressure.dat中，数据包括点坐标以及对应的压强大小；3)、压强分布数据转化；读取第1)步获得的solid.fem文件中的单只叶片固体网格数据，其中该只叶片为FEM模型的整圈所有叶片中与CFD模型中叶片位置相同的那只叶片；计算叶片表面单元中心的坐标；读取第2步获得文件Pressure.dat中的压强场数据，并读取压强场中节点在CFD模型中的网格数据，并对固体表面中心的位置进行插值，获得这些位置在一个气动周期不同时间步的压强；4)、整圈叶片有限元模态分析；根据第2)步中获得稳态的压强插值施加在固体网格单元表面上，对整圈叶片施加该第1)步获得转速的离心力载荷，在有限元软件中求解其预应力场，并将整圈叶片有限元网格的单元编号与高斯节点的预应力结果输出到文件GSS.dat，节点编号与其对应的预应力结果输出到文件NSS.dat；然后进行考虑预应力场和旋转软化的模态分析，获得整圈叶片阶数m的固有频率f以及振型[φ]，并输出到文件Mode.dat；5)、整圈叶片激振力施加；根据第3)步中获得的一个气动周期内不同时间步的固体网格的脉动压强，计算透平叶片表面单元每个节点的受力，获得所有时间步叶片表面的节点力载荷向量，并将一个气动周期内所有时间步的载荷向量压缩输出到文件Load.dat中；6)、模态叠加法求解振动位移响应；首先设置计算时间步，读取第5)步获得的载荷向量文件，并结合第4)步获得的固有频率以及振型，利用杜哈美积分计算在脉动气流激振力整圈叶片位移响应；7)、位移响应结果扩展为应力结果；在CPU和GPU上同时将叶片不同扇区的位移响应转化为应力向量，求解各个单元高斯节点的应力分量，并外插获得节点的应力分量，最后将高斯节点和节点的应力分量转化为主应力以及VonMises等效应力；8)、振动应力结果提取与考核；提取所有扇区叶片在围带圆角，叶根平台圆角，拉筋圆角考核位置在第4)步中预应力分析结果中的最大VonMises等效应力，并提取这些位置在不同时间步的单元或节点的VonMises等效应力，将二者按照线性形式叠加，绘制振动应力时域曲线；第3)中插值的流程如下：3.1)计算固体网格中一个叶片单元表面中心点的坐标，在CPU和GPU上多线程并行判断该点是否落在流体区域网格的四边形内，记下流体区域网格四边形的四个节点；3.2)对这四个节点组成的四边形进行剖分：假设四个节点坐标分别为(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，(x4,y4)，在四条边分别均匀地插入9个节点，对应节点连接，将该四边形剖分为10*10的小四边形区域；对经度i和纬度j的小四边形的左下角节点坐标为依次类推，计算所有剖分节点坐标；3.3)根据剖分获得的所有小四边形的节点坐标，继续在CPU和GPU上同时判断该点是否落在这10*10的小四边形内，以落在其中的小四边形为新的四边形，然后返回第3.2)步继续剖分，如此重复4次，记下这4次剖分过程中，落在其中的四边形的经度(i₁,i₂,i₃,i₄)和纬度(j₁,j₂,j₃,j₄)；3.4)计算插值坐标取ξ₁＝‑1,ξ₂＝1,ξ₃＝1,ξ₄＝‑1，η₁＝‑1,η₂＝‑1,η₃＝1,η₄＝1；按照下式进行插值，获得该中心点的压强：其中P_c为第c个节点的压强值；3.5)遍历所有固体网格中单元表面中心点，重复3.1)到3.4)步，获得所有单元中心点的压强；3.6)按照3.1)—3.5)计算一个周期所有时间步压强场在所有固体网格单元表面中心点的插值，包括第2)步中提取的稳态压强场和脉动压强场，最终获得固体网格一个周期所有时间步的稳态压强和脉动压强。