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浙江工业大学硕士学位论文 15 0 w 汽轮机高压内缸强度分析与结构改进 摘要 汽轮机是现代化国家重要的动力设备之一，广泛用于电站、石油、化工、冶 金、建材、造纸、食品、城市煤气等领域。随着世界经济的高速发展，汽轮机逐 步向大机组、大功率方向发展。因此汽轮机的结构更加复杂、运行工况环境更加 恶劣，对产品的设计也提出了更高的要求。高压内缸是汽轮机的重要部件，它被 安装在汽轮机的外壳即汽缸内，在高温高压的复工作环境下工作，其刚性和密封 性关系到汽轮机运行的安全与效率，所以在设计时要对高压内缸缸体进行强度计 算，以保证汽轮机的安全运行。由于内缸的结构复杂，原有的强度计算方法很难 精确计算出复杂结构下的缸体强度，所以为保证汽轮机运行中不出现内缸变形与 漏气，如何提高内缸设计时的强度计算质量及校核其结构变形就显得非常重要。 针对这种情况，作者以某型“1 5 0 m w 汽轮机高压内缸强度分析与结构改进” 作为研究对象，以高压内缸为例，采用有限元分析技术作为课题研究的主要工具， 选用s o l i d w o r k 与a n s y s 作为实体模型建立及有限元分析的软件平台，通过建立 内缸的几何实体模型、有限元模型，进而分析汽缸的缸体强度、螺栓强度和汽密 性，以此来精确地掌握内缸应力分布规律，校核螺栓的强度，了解中分面上各点 的受力情况，从而获得应力分布图并找出应力不均匀的区域。然后再对应力不均 匀的区域进行补强或结构改进，优化设计结构。从而用更精确、快捷、直观的方 式为内缸的结构设计提供理论依据。 本文应用a n s y s 有限元分析软件对高压内缸进行强度分析，可以比较精确地 掌握内缸缸体上各点的受力情况，了解其应力的分布规律，得到应力分布图，能 方便地找出内缸强度不够的区域以及内缸中分面严密性不够的部位。该方法对其 他缸体类零件的强度分析均具有一定的参考价值。 关键词：高压内缸，强度分析，温度场，应力场，热固耦合 t h e s t r e n g t ha n a i y s i sa n ds t r u c t u r e i m p r o v e m e n to f15 0m ws t e a mt u r b i n e h i g h - p r e s s u r ei n n e rc y l i n d e r s a b s t r a c t s t e a mt u r b i n ei so n eo ft h ei m p o r t a n tp o w e r e q u i p m e n ti nm o d e mc o u n t r y , a n d w i d e l yu s e d i np o w e rp l a n t ，p e t r o l e u m ，c h e m i c a l i n d u s t r y , m e t a l l u r g y , b u i l d i n g m a t e r i a l s ，p a p e rm a k i n g ，f o o d ，c i t yg a s ，e t c w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , s t e a mt u r b i n eg r a d u a l l yd i r e c tt ot h e b i gu n i ta n dh i g hp o w e r s os t e a mt u r b i n e s t r u c t u r ei sm o r ec o m p l i c a t e da n di nw o r s er u n n i n gc o n d i t i o ne n v i r o n m e n t ，t h ed e s i g n o fp r o d u c ta l s op u tf o r w a r dh i g h e rr e q u e s t h i g hp r e s s u r ei n n e rc y l i n d e ri sa n i m p o r t a n tp a r to ft h es t e a mt u r b i n ep o w e r , i ti si n s t a l l e di nt h es t e a mt u r b i n es h e l la l s o c y l i n d e ri n s i d e i nh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r eo ft h ec o m p l e xw o r kc o n d i t i o n s ， i t sr i g i d n e s sa n dt i g h t n e s sr e l a t i o nt ot h et u r b i n eo p e r a t i o ns a f e t ya n de f f i c i e n c y , s o s t r e n g t hc a l c u l a t i o ni sn e e d e di nt h ed e s i g nt oi n t e r n a lc y l i n d e rb o d yi no r d e rt oe n s u r e t h es a f eo p e r a t i o no fs t e a mt u r b i n e d u et ot h ec o m p l e xs t r u c t u r eo ft h ec y l i n d e r , t h e o r i g i n a ls t r e n g t hc a l c u l a t i o nm e t h o di sd i f f i c u l tt oa c c u r a t e l yc a l c u l a t et h ec o m p l e x s t r u c t u r eo ft h ec y l i n d e rb o d ys t r e n g t h ，s ot oe n s u r et h e o p e r a t i o no ft h es t e a mt u r b i n e d o e s n ta p p e a ri n s i d ec y l i n d e rd e f o r m a t i o na n dg a sl e a k a g e ，h o wt oi m p r o v et h e d e s i g n o fc y l i n d e ri nt h e s t r e n g t h c a l c u l a t i o n q u a l i t ya n dc h e c k i t ss t r u c t u r e d e f o r m a t i o ni sv e r yi m p o r t a n t i nv i e wo ft h i ss i t u a t i o n ，t h ea u t h o rt a k e ”1 5 0m ws t e a mt u r b i n e sh i g hp r e s s u r e i n n e rc y l i n d e rs t r e n g t ha n a l y s i sa n ds t r u c t u r ei m p r o v e m e n t ”a st h er e s e a r c ho b j e c t ， a n dt a k et h eh i g hp r e s s u r ei n n e rc y l i n d e ra sa ne x a m p l e ，u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i st e c h n o l o g ya st h em a i nr e s e a r c ht o o lc h o o s es o l i d w o r ka n da n s y sa sa p h y s i c a lm o d e lt oe s t a b l i s h e dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ep l a t f o r m , t h r o u g h t h ee s t a b l i s h m e n to ft h eg e o m e t r yo ft h ec y l i n d e re n t i t ym o d e la n df i n i t ee l e m e n t m o d e lw ea n a l y z e sc y l i n d e rb o d ys t r e n g t h ，b o l ti n t e n s i t ya n ds t e a mt i g h t n e s s ，s oa st o i i a c c u r a t e l yg r a s pi n s i d ec y l i n d e rs t r e s sd i s t r i b u t i o n ，c h e c kb o l ti n t e n s i t y , t oi n v e s t i g a t e t h ef o r c es i t u a t i o no fe a c hp o i n t ，w h i c hc a n g e tt h es t r e s sp a t t e r na n df m do u tt h e s t r e s sn o n - u n i f o t i na r e a a n dt h e nr e i n f o r c eo r i m p r o v es t r e s s u n e v e na r e aa n d o p t i m i z es t r u c t u r ed e s i g n t h u sw i t hm o r ea c c u r a t e , q u i c ka n di n t u i t i v ew a y , w e p r o v i d eat h e o r yb a s i sf o rt h ed e s i g no f t h es t r u c t u r eo f t h ec y l i n d e r t h i sp a p e ru s i n ga n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o t i w a r ef o rh i g hp r e s s u r ei n n e r c y l i n d e rs t r e n g t ha n a l y s i s ，w h i c hc a nm o r ea c c u r a t e l yg r a s pi n s i d ec y l i n d e rb o d yo f d i f f e r e n tp o i n t so f t h es t r e s ss i t u a t i o n ，u n d e r s t a n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o nr u l e g e ts t r e s s p a t t e r n , e a s i l yf m di n s i d ec y l i n d e rn o te n o u g hs t r e n g t ha r e aa n dt h ec y l i n d e rn o t e n o u g hr i g o rp a r t s t h em e t h o dh a st h ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et oo t h e rc y l i n d e rb o d y p a r t ss t r e n g t ha n a l y s i s k e yw o r d s ：h i g hp r e s s u r ei n n e rc y l i n d e r , s t r e n g t ha n a l y s i s ，t e m p e r a t u r ef i e l d ， s t r e s sf i e l d ，a n s y s ，t h e r m o s e t t i n gc o u p l i n g i i l 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 汽轮机又名“蒸汽透平”，是一种把蒸汽热能转换为转子旋转的机械能的动 力机械。比起其他原动机，汽轮机拥有效率高、使用寿命长、热经济性高、单机 功率大、单位功率制造成本低、运行安全可靠等优点。它是当今火力发电与核动 力工业中普遍应用的发动机，它还应用在化工、冶金、船运等行业，直接拖动各 种压缩风机、机泵船舶螺旋桨等【l 】。 在汽轮机领域，每个客户的需求不同，对汽轮机的各项参数也有不同要求。 汽轮机功率越高，设计难度就越大。所以就对设计制造水平提出了更高的要求。 在汽轮机运行过程中，漏油、漏汽是最为常见的设备问题。内缸和汽缸作为 汽轮机的壳体部件，是整台汽轮机组的重要部件。它们的缸体严密性直接影响机 组的安全与经济运行。 内缸和汽缸都是汽轮机的壳体类部件，汽缸是汽轮机最外面的一层外壳，它 包裹着内缸和汽轮机的另一个核心部件转子。内缸中装有静止不动的叶片，称作 导叶片，作用是通过导叶片将进入内缸的蒸汽改变气流方向，让蒸汽按照一定的 角度流动，从而带动转子做功。所以内缸中分面的严密性就非常重要，如果产生 漏气，那么会导致气流对转子做功的减少，直接影响汽轮机的运行效率。再者由 于高温高压蒸汽要进入内缸，所以内缸的缸体必须保证有足够的强度。 对内缸结构的设计过去大多依靠技术手册和常规计算方法计算内缸结构所 要达到的技术参数值。不仅繁琐复杂，得到的数据也往往具有很大的局限性。现 代的汽轮机制造业已逐步发展成集数学理论、计算机应用技术、现代设计方法、 新材料技术等为一体的高技术密集型产业。计算机技术的发展和大型有限元分析 软件的出现，已成为推动汽轮机c a d c a e 技术进步的关键。因此，在发展国内汽 轮机制造技术的过程中不仅要消化吸收先进的技术，利用好现有的技术设备，更 应当广泛推广应用c a d c a e 技术，实现汽轮机设计、制造的数字化。 本文以某型“1 5 0 m w 汽轮机高压内缸强度分析与结构改进”作为研究对象， 浙江工业大学硕士学位论文 以有限元分析技术作为课题研究的主要手段，通过建立内缸的几何实体模型、有 限元模型，从而完成对内缸的机械应力和热应力分布的分析，以此找出及改进内 缸强度不够的区域以及内缸中分面严密性不够的部位。从而用更精确、快捷的方 式为内缸结构的优化设计提供理论依据。 1 2 汽轮机及其内缸的结构 汽轮机由转动部分和静止部分组成。转动部分包括主轴、叶轮、动叶片和联 轴器等。静止部分包括进汽部分、汽缸、持环、汽封及轴承等。当汽轮机内的工 况环境处于高温高压时，单一的汽缸满足不了要求，所以还需要在汽缸内设置内 缸。本文研究的就是高压内缸这一部件。高压内缸与汽缸总成图见图1 - 1 ，高压 内缸结构及蒸汽流向见图卜2 。 2 浙江上业大学硕士学位论文 一_ 汽缸 高压内缸 图1 1 高爪内缸、汽缸总成 3 浙江工业大学硕士学位论文 。 j 轮室调节级导叶高压级喷嘴中压级再热腔室轮室 图1 2 高压内缸结构及蒸汽流向 高压内缸承受着高压、高温蒸汽的作用。为了便于制造、安装和检修，内缸 一般沿水平中分面分为上、下两个半缸，两者用螺栓把水平法兰装配紧固，图 卜2 所示即为高压内缸的上半部分。汽轮机高压缸的进汽部分包括调节汽阀汽室 与喷嘴室，即高压缸前部从调节阀至调节级喷嘴这一区域，它是内缸中承载最高 压力和温度的部分，它与外缸的连接方式是通过进汽短管用法兰连接。 高压内缸中的蒸汽流动方向( 见图卜2 ) 为：高温高压蒸汽从左侧调节汽阀 进入高压内缸，然后从左边喷嘴出到转子的调节级叶片，再进入动、静叶片，然 后流出内缸，经过汽缸左侧的管道流出，经过外部再次加热以后再进入内缸右侧 调节汽阀，经由内缸右侧轮室及动、静叶片继续做功，最后流出内缸进入持环继 续做功。 1 3 汽轮机内缸设计技术 内缸、汽缸和转子是汽轮机的主要部件，在汽轮机运行过程中，内缸和汽缸 的漏汽、漏油是最为常见的设备问题。造成漏油的原因是一些油路、管线没有完 全严密接合；漏汽的原因是内缸上下两半没有达到密闭状态，是在汽轮机运行时 内缸或汽缸中的温度和压力超过了缸体某些部位的最大承受能力，使得缸体强度 不够而变形，导致内缸结合面有缝隙从而造成漏气。所以在设计时要充分计算论 4 浙江工业大学硕士学位论文 证内缸与汽缸的强度，防止漏汽和缸体变形。 内缸和汽缸作为汽轮机的壳体部件，是整个汽轮机的外壳，也是整台汽轮机 组的重要部件。它的缸体严密性直接影响机组的安全与运行经济性。汽轮机因为 气密性和缸体变形造成的故障率往往占很大的比例。内缸和汽缸的水平中分面是 保证严密性的关键部位。 因为内缸的结构十分复杂，沿着轴向长度蒸汽的压力和温度是不均匀的， 特别是高压高温内缸，其往往在金属蠕变条件下工作。而保证内缸水平中分面的 密封性是螺栓联接的一个基本要求，所以合理布置螺栓也是很有讲究的。此外， 中分面法兰的密封性与许多因素有关，如：法兰几何尺寸，结合面加工质量，螺 栓预紧力以及工作温度压力等等。而引起密封困难的主要因素是温度，由于高温 作用，螺栓呈现应力松弛现象，所以在计算螺栓拧紧力时必须考虑这些问题。而 传统方法上是这样来确定保证在两次大修期间内中分面不漏汽时的螺栓拧紧力 的：先确定工作状态下保持汽密性的螺栓应力o ，然后再确定考虑应力松弛后 螺栓初应力o 。，但不能超过该温度下的屈服极限，最后再考虑安装时螺栓的预 紧力o ，以及如何拧紧螺栓。而有限元计算是个逆向过程，先初设计结构，施加 螺栓的预紧力( 约屈服极限的1 1 5 倍) ，然后考虑温度影响( 但是不考虑螺纹 牙的塑性变形影响) ，最后再校核中分面的汽密性和螺栓强度。如果不能满足要 求，则改进结构使之满足。 最常见的内缸设计难点就是中分面漏气现象，原因有几个方面，首先是设计 时的螺栓分布不均匀，或者中分面法兰厚度不够，或者是中分面接触面积过大造 成压强降低：其次是装配时螺栓拧紧力不够，或者拧紧顺序不对也会造成漏汽现 象。 螺栓分布需要经过一系列的计算，通常是采用常规计算方法计算得出。高压 内缸因为处于外缸的内部，它必然受到有限空间的制约，所以内缸的结构务必设 计紧凑，在选择螺栓时也要考虑有限空间的因素。如果螺栓直径过大，理论上对 汽缸接合面的密封性有保证，但是内缸所处的环境必须要求在不影响密封性能的 前提下尽量选择符合强度要求的螺栓。 内缸内外的高温和高压作用，使得缸体中分面必须保证足够的强度。如果法 兰壁厚太薄，在高温高压的作用下，会向外产生张力，也就会漏气。 浙江工业大学硕士学位论文 当中分面接触面积增大时，由压强公式： 尸：一f ( 卜1 ) s 式中：p 为压强，f 为压力，s 为受力面积 可得，当接触面积增大时，中分面受到的压强就会降低，所以在设计时要根 据实际受力情况减少接触面积。一般的做法是在中分面上开出减压槽。 现在国内生产汽轮机的厂家越来越多，但也各有侧重，各有优势。在处理汽 轮机故障的方法上也有很多学习借鉴之处。对于汽缸结合面严密性达不到设计要 求的问题，大多数方案都是靠现场经验或者是直接返修接合面，然后再通过各项 现场试验来确定排除故障。这样不仅效率不高，而且对以后遇到类似故障也没有 指导意义，不能从根本上解决问题。因为在设计时只是引用相关参数标准来确定 缸体强度值，当设计结构变化很大时就会向标准参数的最大值靠拢，达不到精确 的程度。而用传统弹性力学方法计算内缸壁的应力往往比较复杂繁琐，并且精度 上很难达到最优。 在引进有限元分析技术后，通过对实际设计结构建立计算机实体模型，然后 再转换成有限元模型进行计算分析。计算了内缸壁上相对真实的应力，从而对整 个高压内缸进行数值分析。比较精确地掌握内缸缸体上各点的受力情况，了解其 应力的分布规律，简化了计算流程。 所以本文研究的汽轮机机高压内缸的强度计算，使用有限元分析软件a n s y s ， 用有限单元计算方法来对内缸的结构进行分析。 1 4 国内外强度分析现状 一直以来国内外对于汽轮机结构设计、强度分析的研究以多场耦合的应用较 多，如a p a m o s o va n da f f e d o t o v 应用a n s y s 5 1 对在脆性壳中合成坯件的高 温热力学状态进行了模拟，有效的指导了具体工艺的实施。j d r e s c h e r ，y h m u 等人也进行了类似的研究。另外，有些科研工作者还把a n s y s 与其它的一些有限 元软件如d e f o r m 等结合起来，或者与一些高级编程语言如c + + 等配合使用，取 长补短，大大提高了缸体类零件设计的可靠性【2 】。在国内，有限元技术也日趋成 熟，普及率不断提高。 浙江工业大学硕士学位论文 在产品设计过程中不断地获取新的知识和信息，采用先进可靠的设计软件是 现代产品设计的主要手段，计算机辅助工程技术及其软件就是现代设计的重要工 具【2 3 】。有限元分析软件a n s y s 就是其中一个用来研究汽缸强度和热力学分析的 工具。 通过热力学经典理论进行计算是以前通用的做法，这些方法有很多实际的意 义。在这些方法里，有限元计算也是其中一种计算方法，而且应用越来越多。在 内缸的设计上，总体趋势就是用有限元分析方法来做。热分析功能主要包括稳态 热分析、瞬态热分析、热辐射、相变、热应力等，以及跟热有关的耦合场分析。 随着a n s y s 等一批有限元程序的不断改进和发展，其热分析功能越来越强 大。如a n s y s 软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉，它在计算机资源 的利用，用户界面开发等方面也做出了较大的贡献。应用a n s y s 进行热分析研 究的工作也越来越深入。目前已覆盖流体、电磁场和多物理场耦合等十分广泛的 研究领域。 1 5 本文主要工作内容 1 5 0 m w 汽轮机机组额定功率为1 5 0 m w ，额定转速3 0 0 0 r m i n ，转速变化范围 2 8 5 0 3 2 1 0r m i n ，额定进汽压力1 3 5 m p a ，额定进汽温度5 3 5 ，额定再热蒸 汽压力3 9m p a ，额定再热蒸汽温度3 6 6 1 5 3 5 。 其高压内缸为自主设计结构，结构图见图1 - 2 。因为内缸的形状十分复杂， 它有4 个进汽口和4 个回热口，见图卜2 ( 因为高压内缸是对称结构，图1 - 2 是 上半缸体所以只有两个进气口和回热口) 。而一般的内缸只有2 个进汽口和2 个 回热口，当进汽口和回热口增加，就说明高压内缸里的工作环境非常恶劣。高压 内缸的内腔左边为轮室和高压级，右边为中间再热腔室和中压级：外侧与汽缸配 合的卡环将其分为两个腔室，各区段的设计参数比较高，再热后最高温度可达 5 3 8 ，轮室压力高达1 0 0 b a r 左右。所以整个内缸处于高温高压状态，我们极有 必要对它进行各方面的强度分析计算。 而对高压内缸进行有限元强度分析，首先要建立强度分析所需要的理论体 系，对有限单元法和有限元分析软件a n s y s 进行理论探究，掌握其计算分析规 律和方法。 浙江工业大学硕士学位论文 其次是建立高压内缸的实体模型和有限元模型，并且对一些不影响强度计算 的结构进行简化，这样有利于施加边界条件，便于计算。 然后是对高压内缸进行强度分析。对高压内缸的温度场、应力场进行计算。 找出高压内缸结构上强度不够和应力分布不均匀的部位。 最后对前一次强度分析中发现的问题进行改进，改进目标是，合理分配中分 面螺栓以满足高压内缸中分面汽密性要求并使螺栓在工作时处于安全状态。改进 高压内缸的原则是校核原设计结构的强度，若无法满足，则改进结构以满足强度 要求。 本文主要做了以下两方面的分析计算： 1 、校核内缸在工作状态下缸体应力，中分面汽密性以及螺栓的强度： 2 、改进内缸结构并校核新结构的内缸在工作状态时的强度和密封性。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章内缸强度分析方法 目前适合高压内缸强度计算的方法有常规计算方法和有限单元法等。常规计 算方法即参考设计规范和技术手册来分析。它通过计算各个部分的应力来进行分 析，但是要找出内缸中精确的应力分布比较复杂繁琐。有限单元法则以有限元软 件为工具，进行有限元分析，能较精确的计算出高压内缸的应力分布。 2 1 内缸强度计算常规计算方法 内缸的经典强度计算包括内缸壁的强度计算、法兰联接的密封性计算和螺栓 的强度计算。这三步计算涵盖了整个内缸体的各个部分强度设计要求，对各种结 构的内缸强度计算具有通用性。 2 1 1 内缸壁的强度计算 ( 1 ) 内缸壁圆柱段 用计算方法确定内缸壁精确的应力分布是非常困难的问题。这是因为内缸的 形状十分复杂( 汽缸中有筋、法兰、端壁和联接管等) ，沿着内缸长度蒸汽压力 和温度又不是均匀的，特别是高压高温透平，其内缸往往在金属蠕变的条件下工 作。因此，内缸壁应力和尺寸的计算只能采用十分近似值方法。而实际上设计内 缸时，内缸壁厚通常是按照结构和工艺方面的要求选择，然后按近似公式校核缸 壁中的应力；至于缸壁中心真实应力，可用测量内缸应变的方法来确定，这就使 得我们可以合理地确定新结构内缸的壁厚i t , s 。 力。 当汽缸外径与内径之比p = r o 1 3 时，汽缸壁圆柱段的应力： y f 盯：6 p _ _ _ 堡dm n m z ( 2 1 ) 2 6 、。 当口 1 3 时， 旷等一切向应力= 等轴向应力= 半一径向应 9 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 内缸端部 确定了内缸圆柱段应力后，还需要计算内缸端部的应力。通常端部选取与圆 柱段同等厚度，或略厚些。端部应力的计算公式也是一个近似公式。对于壁厚不 大和大直径的内缸，可得到满意的结果。 缸壁的弯应力 仃：丢等：攀( 1 嘲2 ( 1 + 2 k ) m n m ( 2 - 2 ) 3 3 艿2 、 7、 2 1 2 法兰联接的密封性和螺栓强度计算 保证水平中分面的密封性是螺栓联接的一个基本要求。法兰的密封性与许多 因素有关，其中有：法兰的几何尺寸，结合表面的加工质量，螺栓的拧紧力以及 蒸汽的压力和温度等。而引起密封困难的主要因素是温度。由于高温的作用，在 法兰的联接元件中呈现应力松弛现象，使得经过一短时间间隔后，为了保证密封 性，必须再次拧紧螺栓5 ，6 7 1 。 实际上中分面联接的密封性问题，在其它条件不变的情况下，可归结为确定 螺栓的拧紧力，即确定在透平合缸时，需要对螺栓施加多大的拧紧力，方能保证 在两次大修的期间内，中分面不漏气。从以下两点来确定拧紧力。 ( 1 ) 工作状态下保持气密时螺栓中应力矾为： ：尝mnm2(2-3)01 2 7m m 式中f 一螺栓最小截面积( m 2 ) ，p 为压紧力。 ( 2 ) 考虑应力松弛后螺栓初应力仃。的确定 如果螺栓工作的温度不高，不会发生应力松弛现象，螺栓紧力p 就能保证在 整个汽轮机运行阶段不发生中分面漏汽现象。如果螺栓工作温度较高，由于蠕变， 在螺栓中发生应力松弛现象，也就是说，随着时间的延续，螺栓中的应力将不断 降低。很明显，如果这时个螺栓的紧力仍按上公式决定，则经过一段时间后，由 于螺栓中应力的降低就不能保证中分面的密封性。通常要求在汽轮机两次大修的 间隔( 一般为1 0 0 0 0 小时) 内，中分面不能漏汽。那么在开始时螺栓中的应力c r n 要比仃，大得多，选择c r 0 的大小要保证经过1 0 0 0 0 小时后，螺栓中的剩余应力大 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 于p 决定的应力。 鱼： 1 一沏一1 ) 仃? h e n ( f ) 忐( 2 4 ) 中n ( t ) = f b ( t ) d t b ( o o ) t q 就是经过i o o g o 小时保证中分面密封所需螺栓中的应力，即按p 决定的 应力。m 和b ) ，q ( f ) 可以查钢的性能手册，或者根据钢的蠕变曲线求得。因此， 由式( 4 ) 就可以决定螺栓中的初应力，使得在给定的温度下，经过t 小时后， 螺栓中的剩余应力等于需要的仃。值。此外，也可以不用上述的计算方法确定仃。而 是按p 确定仃，后，根据材料手册上的松弛曲线，由剩余应力盯，查得初应力仃。 ( 3 ) 螺栓中的温度应力及超动时允许的温差a t ： 在汽轮机启动、运动时，由于法兰和螺栓之间存在温差( 往往是法兰的温度 比螺栓高) 以及材料的线胀系数不同，法兰的自由热膨胀量比螺栓大，螺栓就受 到一个附加的拉力，而法兰则被压缩，该附加拉力在螺栓中引起的应力称为温度 应力盯，。为： 2 ( 砌 训每焘= ( 觑f t f - l b a b t b ) e 厶。b 丑( 2 5 ) 由于螺栓温度应力的存在，增加了法兰结合面上的压紧力。因此，保证法兰 结合密封性而在最初拧紧螺栓时所需的应力不再是仃。，只需c r o 一仃门就够了。 ( 4 ) 安装时螺栓的预紧应力盯。和螺栓的拧紧 一- = c r o 町一一号t 像6 ， 2 2 有限单元法及a n s y s 目前在固体力学中常用的强度分析软件有：a n s y s 、a d i n a 、a b a q u s 、m s c 四 个比较知名比较大的公司。这些软件各有侧重，各有特点，其中a d i n a 、a b a q u s 在非线性分析方面有较强的能力。目前是业内最认可的两款有限元分析软件， 浙江工业大学硕士学位论文 a n s y s 、m s c 进入中国比较早所以在国内知名度高应用广泛。目前在多物理场耦 合方面几大公司都可以做到结构、流体、热的耦合分析。在国内机械领域，a n s y s 有限元分析软件应用比较广泛，而且使用情况比较理想，能有效解决产品设计中 的强度问题【引。 2 2 1 有限单元法及a n s y s 简介 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。 它是5 0 年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的一种 有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等 连续性问题【9 1 。 国际上早在2 0 世纪5 0 年代末、6 0 年代初就投入大量的人力和物力开发具 有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局( n a s a ) 在 1 9 6 5 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的n a s t r a n 有限元分析 系统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有 限元分析系统【1 0 , 1 l ，15 1 。 有限元分析当中“单元剖分”的含义是被离散为各种单元组成的某个工程 结构的计算模型。离散后单元于单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节 点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要视计算进度而定。 用有限元分析计算所获得的结果只是近似的，如果划分单元数目非常多而又合 理，则所获得的结果就与实际情况相符合。 在c a d 技术日趋成熟的今天，从汽车到航空器，有限元分析计算已经渗透到 设计制造行业的各个角落，今后有限元技术将得到更广泛的应用。 2 2 2 有限元结构分析理论基础 强度分析属于有限元结构分析的范畴。结构分析是有限元分析方法最常用的 一个应用领域。由它计算得出的基本未知量是位移，其它的一些未知量，如应力， 应变，和反作用力等，均可通过节点位移导出。当分析对象的有限元模型建立后， 各单元的应力、应变关系可根据塑性力学的应变增量理论写为【1 5 ： d e o = 鲁坞半咖毫安删 协7 ， 浙江工业大学硕士学位论文 式中e 应变； de 以张量表示的应变增量： o 应力； do 应力增量： 盯应力导数； 卜平均主应力； 6 质点位移； e 、g 、u 分别为弹性模量、刚性模量和泊松比。 用矩阵表达式，各元素结点的力增量 d f ) 与结点的位移增量 d6 ) 之间的关 系即刚度方程，可表示为： d f ) = ( b 【d b 】+ k g ) d 艿) a ( 2 - 8 ) 式中 b 应变一位移矩阵，定义为 de ) = b d6 旧】一 b 的转置矩阵； d 应力一应变矩阵，定义为 do ) = d d ) 、微元素元面积和厚度； k g 卜一图形非线性修正项。 采用适当的计算方法并考虑特定边界( 边界节点的应力、应变、位移状态) ， 联解上述刚度方程组，即可求得每一个节点的应力增量和位移增量，以及每个单 元上的平均应力和应变，从而得知整体应力应变分布状态。采用这种结构分析的 有限元方法，只要有限元单元划分得当、算法合理，可以得到较为理想的数值解。 2 2 3 有限元应力计算及刚度矩阵 有限元的总体过程是：连续结构的离散化单元特性分析得到单元刚度一 一单元组集得到总体刚度据边界条件得到节点位移支反力及其他力学 量的求解【1 6 】。 在有限单元法中普遍使用位移法来实现数值计算的，这种方法易于实现计算 浙江工业大学硕士学位论文 自动化。位移法即选择节点位移作为基本未知量用形函数的假设来推导单元的位 移场，然后根据变形的几何方程推导得到单元的应变场，根据材料的物理方程就 可以得到单元的应力场，最后再根据能量方程得到单元刚度，这样就完成了单元 的力学性质分析。而总体刚度由单元刚度装配集成，再由位移和力边界条件根据 平衡关系得到节点位移1 4 , 2 3 4 7 】。 物体在受到载荷作用时，某一点位置改变的位移矢量在笛卡儿坐标系中可表 示为： 矽) = k vw r 某一点的应力状态，有六个独立的应力分量。六个应力分量可表示为： ( 2 9 ) 习= k 。力眨岛砭r 。2 m ， 其中，是仃。，仃咿幂1 1c r 。i e j 立j j ，是f 彬，f f 和f 。剪应力。 此外，某一点的应变状态也可用六个应变分量表示。这六个应变分量为： 料= k 勘乞比比r 沼 其中，s 。，和s 。是正应变，y 声和k 是剪应变。几何方程中表 明，应变和位移的关系可表示为： a 甜乱m s 腰= 瓦嘞= 瓦占忍= 瓦 a 犹西加a wa “a w y= + y = 一十 y = 一十 i 刁 矾ja x 。弘 a zj 如1 嫩8 za x 其中： 墨) = 陋 矽) 1 4 ( 2 1 2 ) 浙江工业大学硕士学位论文 二= 二= 一 i l l - 昙o o o o a 砂 o a 0 z a 砂 o a 纵 a 0 z o o a 0 z o a 砂 a 0 x ( 2 - 1 3 ) 匕j 为微分算子。 在材料的弹性区域内，应力和应变之间存在一定的关系，即满足虎克定律。 物理方程表示为： 仃埘2 面e ( 1 - t ) i 南( 铲a 协，4 ， = 面e ( 1 - u ) i + 南( u l 协 仃嚣= 面e ( 1 - t ) i s z + 南( s 麒h ) i 协 f 口，= g y 叫，r k = g y 蟾，f 盘= g 7 丛 若应力和应变之间的关系用矩阵表示，则可表示为： p = p ( 2 - 1 7 ) 浙江工业大学硕士学位论文 p 】2 丽e ( 1 - , u ) 1 1 一 1 一 0 0 0 生竺- 00 0 1 一1 一 1 生000 1 一 上1 000 1 一 0 0 1 2 , u 2 ( 1 一) 对于三轴载荷下的固体材料，应变能人为： = 争( 仃。s 。+ s + 盯如+ y 掣+ v 弦+ u 。) a v ( 2 - 1 8 ) 或者以矩阵形式表示为： 人( 吐昙l 矗y d d v ( 2 - 1 9 ) 根据虎克定律，将应力用应变的形式表示，然后代入，则上式可表示为： ：i 1l 扛厂p 仕扭矿( 2 - 2 0 ) ，。7 lj 。 对于三维有限单元来说，其中每个节点有三个自由度，分别沿节点坐标的x ， 乃z 方向。那么单元内任一点的位移用节点的位移值和形函数表示为： 缸 = 妙) p = 防 妙) ( 2 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 代入应变能方程有： 人( 8 ) = 圭j ，扛厂 d 】墨扫y = j 1 y 妙y 陋r d p 妙弦y ( 2 - 2 3 ) 对上式取节点位移的偏微分，则有： 1 6 莨 0 0 o 0 0 0 浙江工业大学硕士学位论文 筹= 旦o u k ( 丢y 帅p 妙扣1 ，2 这样就可以求出单元刚度矩阵的表达式，即： k p = y 陋r p p p 矿 ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) 2 3 热固耦合计算方法 热固耦合力学是热力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支，它是研究变 形固体在热场作用下的各种行为以及固体位形对热场影响这二者相互作用的一 门科学。热固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在热载 荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响热场，从而改变热载荷的 分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的热固耦合现象。 热固耦合问题可由其耦合方程定义，这组方程的定义域同时有热域与固体域。而 未知变量含有描述流体现象的变量和含有描述固体现象的变量【1 8 】。 一般而言具有以下两点特征： ( 1 ) 热流与固体域均不可单独地求解。 ( 2 ) 无法显式地削去描述热运动的独立变量及描述固体现象的独立变量。 从总体上来看，热固耦合问题按其耦合机理可分为两大类： ( 1 ) 第一类问题的特征是耦合作用仅仅发生在两相交界面上，在方程上的耦 合是由两相耦合面上的平衡及协调来引入的如热分析、单纯温度场等； ( 2 ) 第二类问题的特征是两域部分或全部重叠在一起，难以明显地分开，使 描述物理现象的方程，特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立，其耦合 效应通过描述问题的微分方程来体现。 现在由丁数值计算方法、计算机技术的发展，整个的求解趋向于n s 方程与 非线性结构动力学。一般使用迭代求解，也就是在热场、结构上分别求解，在各 个时间步之间耦合迭代，收敛后再向前推进。好处就是各自领域内成熟的代码稍 作修改就可以应用。其中可能还要涉及一个动网格的问题，由于结构的变形，使 得流场的计算域发生变化，要考虑流场网格随时间变形以适应耦合界面的变形。 a n s y s 进行热固耦合分析可以采用两种方法：间接法和直接法。直接法进行 热固耦合分析，选择的单元是耦合单元。间接法和直接法进行热固耦合分析的主 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 要区别在于间接法选择的是两个单元类型，即热场用热场单元，结构场用结构单 元，它们是分开的，而直接法进行热固耦合分析选择的是一个单元类型，选择的 该单元包含了热场和结构场的性能和自由度【1 7 】。 间接法进行热固耦合包含两个主要的部分： ( 1 ) 进行热分析，选取相应的热分析单元，进行求解： ( 2 ) 将进行热分析的单元转化为结构分析单元，进行结构分析，必须注意的 是要将第一步进行热分析的温度载荷结果加载到结构上。 本课题选择的计算方法是间接耦合法。在a n s y s 分析缸体类零件时，采用间 接耦合法的步奏是：首先单独计算温度场，然后单独计算应力场，最后再把缸体 零件上每个节点的温度载荷作为边界条件叠加到应力场中相对应的节点位置上， 进行热固耦合计算。直接耦合即把温度载荷、预紧力载荷、压力载荷一起叠加进 行计算，这样也能得出最后的结论，但是计算复杂，并且如果结构上有问题，则 不易分辨缺陷位置，对于后续优化设计带来困难。而采用间接耦合不仅计算速度 快，处理简单，一步一步计算更是为了直观地分析各个载荷进行计算所得出的结 果，有很好的针对性。 2 4 本章小结 本章首先介绍了研究课题所需要用到的理论知识，介绍了常规计算缸体强度 的计算方法和热固耦合相关知识，也介绍了有限单元法及其软件a n s y s 。目的是 探索出一种实用高效的强度计算方法，从而对本文的研究有所帮助。 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章高压内缸有限元强度分析 高压内缸的有限元分析，首先要对缸体进行建模然后进行强度分析。本文采 用a n s y s 热固耦合分析中的间接耦合计算方法。即首先单独施加温度载荷，计算 温度场；然后对高压内缸中分面施加螺栓冷态预紧力进行计算，得到螺栓预应力； 最后将温度场节点温度和螺栓预应力作为边界条件施加于应力场计算中。也即考 虑了汽缸的膨胀和螺栓对计算的影响，再加上高压内缸内壁和外壁的压力而进行 叠加计算。 所以在内缸强度计算中分四个步骤： 一、对缸体施加温度效应( t ) 求解一次。 二、施加螺栓预紧力( f ) 求解一次。 三、在热固耦合计算中同时施加温度效应( t ) 和螺栓预紧力( f ) 进行求解。 四、在热固耦合计算中同时施加压力( p ) 、温度效应( t ) 和螺栓预紧力( f ) 进行求解。 3 1 高压内缸有限元模型的建立 本文选取了c a d c a e 软件中用于实体建模的s o l i dw o r k s 软件和用于有限元 分析的a n s y g 软件，然后根据高压内缸的结构尺寸参数在s o l i dw o r k s 平台上建 立三维实体模型，通过数据接口将此模型导入a n s y s 中，经过适当的简化后在此 软件平台下进行网格划分，然后进行约束和边界条件