水轮机转轮强度和模态分析

AIFEM是由天洑自主研发的一款通用的智能结构仿真软件，助力用户解决固体结构相关的静力学、动力学、振动、热力学等实际工程问题，软件提供高效的前后处理工具和高精度的有限元求解器，帮助用户快速、深入地评估结构的力学性能，加速产品的设计迭代。

一、概 要

1）案例描述

水轮机转轮在运转过程中受到旋转惯性力及水压等复杂工况，同时还需特别关注运行时产生的共振现象。基于这些需求，本案例对转轮进行模态及静力分析。其中模态分析不施加载荷及边界条件。

2）几何

水轮机转轮几何如图1-1所示，其主要运行形式为绕中心轴转动。

图1 几何模型

3）材料

杨氏模量：205000MPa，泊松比：0.28，密度：7.87e-9tonne/mm3

4）旋转惯性力载荷（静力）

对象：整体转轮，转轴：转轮的旋转对称轴（Z轴），转速：166.7rps

5）边界条件（静力）

转轴处固定：Ux=Uy=Uz=0mm

二、建 模

1）新建方案

启动AIFEM 2023R2；

点击创建方案，在新建方案弹窗中，填写文件名《水轮机转轮》，点击保存。

图2-1 AIFEM窗口

图2-2 新建方案

2）几何

点击几何>导入，弹出导入几何文件弹窗；

在导入几何文件弹窗中，选择几何文件Rotor.step；

选择默认的‘导入为新模型’，将其导入为‘Rotor'，点击导入。

图2-3 几何导入

3）网格

点击有限元模型>四面体网格，弹出四面体网格弹窗；

在四面体网格弹窗中，选择整个转轮作为对象，点击对象右侧的确定；

将全局网格尺寸修改为2mm，点击确定。

图2-4 网格划分

4）材料

点击有限元模型>材料库，在材料库弹窗中，a.选择系统材料库中steel材料；b.点击’>’将其添加至模型材料库中；点击确定；

点击有限元模型>固体属性，在固体属性弹窗中，a.选择整个模型为对象，点击右上角确定；b.选择对应的几何赋予steel材料属性；点击确定。

图2-5 材料赋予

三、分 析

1）分析步

点击有限元分析>新增分析，创建一个‘结构分析’，选择子分析步为模态，点击继续；

弹出模态分析步弹窗，a.给定振型数为11；b.最大频率选为5000Hz。点击确定；

点击有限元分析>静力，在‘结构分析’下创建一个‘静力’子分析步，点击确定。

图3-1 分析步创建

2）边界条件

点击有限元分析>位移/旋转，可弹出位移/旋转弹窗；

在位移/旋转弹窗中，a.选择起始分析步为静力-2；b.选择对象为转轴处，点击右上角确定; c.指定位移Ux=Uy=Uz=0mm，点击确定。

图3-2 边界条件设置

3）载荷

点击有限元分析>旋转惯性力，弹出旋转惯性力弹窗；

在旋转惯性力弹窗中，a.选择起始分析步为静力-2;b.选择对象为整体，点击右上方确定；c.选择旋转轴为Z轴 ；d.输入离心力转速为166.7rps。点击确定。

图3-3 载荷设置

4）求解

点击有限元分析>求解，出现求解弹窗；

在求解弹窗中，定义输出名称及求解模型，点击求解提交计算。

图3-4 求解

四、后处理

1）云图查看

求解完成后，软件自动导入结果；

选择模态步，a.在视口左侧选择U及其下Magnitude；b.输入相应变形系数；c.进行模态云图及动画查看；

点击结果>模态结果，查看相应模态结果数据。

图4-1 模态云图

图4-2 模态结果

a.在视口区左侧选择S及其下Mises；b.视口区下侧选择相应帧，c.输入相应变形系数，进行应力云图查看；

a.在视口区左侧选择U及其下Magnitude；b.视口区下侧选择相应帧，c.输入相应变形系数，进行位移云图查看。

图4-3 应力云图

图4-4 位移云图