汽轮机内缸有限元分析与网格划分方案优化.doc

汽轮机内缸有限元分析与网格划分方案优化
王家鋆 敖勇 邓志成 摘要:为研究不同网格划分方案对汽轮机內缸应力场计算结果的影响,对某汽轮机中压內缸进行建模,选择热固耦合的有限元法采用4种不同的网格划分方案进行计算,%,且应力集中部位的最大单元平均应力与节点平均应力差别不大,相对误差不超过5%,则认为有限元计算结果稳定。以此时的网格划分方案为目标方案,将其应力场计算结果作为其他方案的参考值,考察相对误差大小。目标方案的中压内缸应力集中部位的有限元网格见图3。
在结构场后处理分析中,VON Mises应力是一项重要的反映指标,其在Workbench中有多种表现形式,最常见的是节点平均应力,即在对所有单元进行计算得到其节点应力后,再对共享节点的应力进行平均,即为该点的应力。单元平均应力是指在对节点应力进行平均计算后,对单元内所有的节点应力再一次进行平均,得到单元内部的平均应力。随着求解精度的不断提高,单元平均应力会逐步趋近于节点平均应力,因此两者的近似水平可作为判断计算结果是否稳定的标准。以部位A为例,其节点应力与单元应力的对比见图4。,且均出现在部位A的相近位置处。 3 网格划分改进方案的确定
在Workbench软件中,难以直接对具有复杂结构的几何体进行扫掠法网格划分。在工程设计和计算中,一般选用Automatic方法自动生成四面体网格。采用Automatic方法划分网格时,较密的网格参数设置会极大地增加计算工作量和求解时间,而粗糙的网格设置又无法准确捕捉零件在应力集中部位的应力分布,因此一般采用网格重新划分的思路,即首先进行整体网格控制,随后在应力集中部位进行局部网格细化,从而达到兼顾计算成本和求解精度要求的目的。
整体网格控制主要包括默认(Defaults)设置和网格尺寸函数设置。Defaults设置中确定物理场选项为结构场。网格相关度(Relevance)选项数值从-100到+100,代表网格由疏到密,不同的值对应不同的网格数和节点数,在划分过程中可根据需要进行调整。在目标网格划分方案的确定过程中,可通过不断增大关联度使得计算结果稳定。在网格尺寸函数设置中,主要考虑高级尺寸函数的选取、关联中心的设定和全局单元尺寸的调整等。这里用到的高级尺寸函数为自适应网格函数和曲率网格函数;关联中心包括描述网格粗糙、中等和细化等3种模式,和网格相关度一起对网格整体尺寸产生影响;全局单元尺寸取各划分方法下的默认值。对于该汽轮机中压内缸而言,用到的局部网格细化方法主要包括插入局部尺寸控制(Sizing)选项和插入直接细化分割(Refinement)选项。Refinement直接基于细化倍数对初始单元边界进行不同程度的分割,网格间的过渡性较好、划分方便。调用Sizing选项时可以根据所关注部位的圆角大小分别设定单元尺寸,灵活性较强。
通过以上讨论并进行反复试验,最终确定的网格划分目标方案和改进方案见表1,其中R3表示采用细化等级为3的Reflnement选项,S8表示在该处插入Sizing选项控制局部单元大小且平均单元特征长度为8mm,以此类推。目标方案是网格细化程度最高的计算方案,以此作为