基于ANSYSS的貫流式水輪機管形座的強度分析

[摘要]管形座大型燈泡貫流式水輪發電機組中連接燈泡體和水輪機的關鍵部件，采用大型工程設計軟件Pro/E建立三維模型，導入ANSYS有限元分析軟件進行了靜強度分析與校核，為設計者提供了該部件應力和變形情況優化設計奠定了基礎。

[關鍵詞]管形座；ANSYS有限法；應力；變形

[中圖分類號]TV734.1[文獻標識碼] A

1軟件簡述

Ansys有限元法是一種采用電子計算機求解復雜工程結構非常有效的數值方法，具有精度高、適應性強以及計算格式規范統一等優點，而Pro/E是一個全方位的三維產品開發軟件，因其優異的使用性能獲得了眾多CAD用戶的認可，充分利用兩種軟件在各自領域的優勢，對機械結構進行分析已經成為一種流行的方法。合理設置Pro/E模型導入ANSYS，是分析結果是否準確的關鍵。Pro/E模型導入ANSYS數據常用兩種方法，一是在Pro/E中建立好模型存盤時選擇IGES文件格式，在Ansys界面中選擇“file”菜單中“Import”的“IGES”選項，然后選取已保存的IGES文件輸入模型。但當模型特征過多時，可能出現模型斷裂、丟失實體等情況，直接影響模型分析結果的準確性。二是在Ansys軟件安裝中選擇接口模塊“Connection for Pro/Engineer”選項，然后對輸入模塊類型、圖形類型和安裝路徑等進行設置。在Pro/E中打開prt模型文件，設置好單位后，選擇菜單“Ansys GEOM”，能夠快速準確將模型數據導入Ansys。下面以某燈泡貫流式水輪發電機的管形座為例，應用Pro/E4.0與ANSYS10.0對應力和變形分析進行研究。

2管形座的基本結構

某燈泡貫流式水輪發電機的管形座由圓錐形殼體、異形方管人孔室和帶螺栓孔法蘭三部分組成。圓錐型殼體上、下端為法蘭，圓周均布有螺栓孔，上端與燈泡體螺栓連接，下端與水輪機轉輪螺栓聯接。該水輪機管形座圓錐殼體部分采用左右兩半組焊成一整圓錐體。人孔室組焊在圓錐殼體兩側，呈異形方管狀，兩側長度各5米，其一端與錐殼內部聯通，另一端固定在基礎上。

3管形座的幾何建模過程

根據管形座外部幾何特征，運用Pro/E軟件幾何建模可采用兩種方法，一是在草圖器中用“抽殼”命令，生成圓錐殼體；另一種方法是在草圖器中先繪制管形座的截面形狀，然后用“旋轉”命令生成管形座的三維基本模型。本文采用第二種方法，生成三維基本模型后，用“拉伸”命令中的“去除材料”選項，生成管形座錐殼上的入孔室內孔，最后完成三維模型。

4管形座的ANSYS參數化建模過程

6管形座的載荷

該燈泡貫流機組運行狀態下，管形座所受載荷主要受水推力、管形座自身的重力轉矩、支柱負載和人孔室底面上的水壓力。計算時選擇最大工況水頭，此時水的推力最大，此時管形座所受荷載最大，產生的變形和所受應力最大，研究此時管形座的變形和應力具有實際意義。將水推力、轉矩額定工況下、人孔室負載、水壓力和重力加速度分別對管形座加載。管形座的載荷如圖3。

7管形座的靜力強度

管形座的物理模型完成后，選擇了PCG迭代求解器進行求解，選“solve”命令進入求解器。

ANSYS對應力的求解一般是按照von Mises應力來進行計算，稱為第三強度理論。von Mises屈服條件為：

經過ANSYS的后處理器得到了各種綜合載荷作用下管形座的應力云圖和變形云圖（如圖4）。

8管形座的計算結果分析

從計算結果數據和應力云圖顯示，應力比較大的區域主要集中在靠近管形座錐體與兩側人孔室的連接處，該處主要承受水靜壓力載荷的作用變形較大。在管形座的上端法蘭處，主要受到扭矩和水推力的共同作用產生了應力集中，在螺栓孔的中心位置處產生了應力集中，這與載荷的實際分布情況相符合。管形座在最大水頭的情況下其變形位移最大為0.235mm，此時最大Von Mises應力為15.1 Mpa，且15.1 Mpa<（2/3）×235 Mpa=156.67 Mpa，滿足設計要求。

參考文獻：

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