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摘要：随着CAD、CAE 软件的普及，软件之间的接口已经不再是难题，国内引进了众多的相关结构分析计算软件，其中SAMCEF 是有其独自特点的。通过使用SAMCEF 软件，以有限元分析方法对燃气轮机部件进行了强度分析，得出了一些有工程应用价值的结论。
关键词：轮盘强度计算，接触，SAMCEF 软件
1. 引言
强度分析是结构强度设计的核心。轮盘、叶片、支承系统的强度、刚度分析是燃气轮机结构设计中非常重要的环节，同时部件结构的强度、刚度分析也是燃气轮机转子的维修、监测、安全以及寿命等评估工作的重要参考依据。传统的计算方法有：有限差分法、有限单元法、二次计算法等。而随着计算机技术的不断发展与完善，有限元素法以其能较详细描述分析对象的结构细节而越来越受到人们的青睐。
SAMCEF 软件的结构分析模块，几乎可以求解所有的结构分析问题。本文使用SAMCEF 软件的结构分析模块对燃气轮机转子的部件结构进行了强度分析，并结合工程经验得出了研究结论。
2.计算实例
工作叶片及轮盘是轴流式发动机最重要的零件，二者之间的榫头-榫槽连接结构的强度和刚度是我们所关切的。随着燃气轮机的不断发展，其轮盘结构也越来越复杂，结构分析有限元法已经成为求解复杂结构的应力分布的最有效数值方法。但是，完整的3D 模型，产生的有限元数量过于庞大，严重影响了设计进度和工作效率，因此在计算过程中使用1/n(n 为叶片数)模型的方法是解决问题的途径之一。
燃气轮机的压气机轮盘上的榫槽不与旋转轴同向，并不是轴对称模型，而是周期循环模型，本文选取其中1 个或n 个榫槽作为在SAMCEF Field 中的分析对象，是较为合理的。
2.1 算例1
压气机轮盘为轮毂式结构；级间为插接式连接，并以径向销钉紧固；榫槽为燕尾形。轮盘材料为高温合金：8320 kg/m3，0.3，2.05e11 Pa；叶片材料为钛合金：4480 kg/m3，0.33，1.19e11 Pa。计算转速：10000 r/min。
2.1.1 使用1/n 模型计算
在CAD 软件中，沿榫槽方向、按榫槽数量将轮盘n 等分。取1/n 轮盘作为计算模型。采用四变形网格，辅以少量三角形网格作为过渡。
共划分了23020 个单元，5826 个节点（见图1）。 （图片）
图1 计算模型及网格划分 轮盘最大应力点位于盘心位置，499MPa。
最大位移点位于叶片顶部，0.53mm。(见图2)（图片）
图2 计算结果 2.1.2 使用完整模型计算
为避免不真实的边界条件，同时验证1/n 模型的准确程度，有必要使用完整的叶片和轮盘进行整体分析，共划分了108440 个单元，33824 个节点。(见图3)（图片） 轮盘最大应力点位于盘心位置，515MPa。
最大位移点位于叶片顶部，0.545mm。(见图2)
2.1.3 小结（图片） 从表1 中可以看到完整模型与1/n 模型的计算结果非常接近，同时，最大应力及形变的趋势也比较吻合。表2 为SAMCEF 与理论计算结果的对比，虽然有一定的偏差，但是其值在允许范围内。试验结果与完整模型有限元素法的计算结果比较接近，这说明在SAMCEF 中采用1/n 轮盘模型的计算结果是比较可信的。
计算过程中，网格的质量高低是很关键的问题，某些较常用的CAE 软件，经常会因为网格质量问题而导致分析无法完成；SAMCEF 支持对一些质量较差网格的修改，功能很实用。SAMCEF 中对复杂模型划分六面体网格，是有一定困难的，可以将HYPERMESH 中划好的网格直接导入SAMCEF。
2.2. 算例2
现代航空发动机的工作转速一般均在10000 r/min 以上，大多数机组都采取了“柔性转子”的设计。为达到这一目的，使用弹性支承成为了最有效和可行的方法。通过改变弹性支承的刚度，可以调整和控制转子的临界转速，并且通过弹性支承的变形，吸收转子-支承系统的振动能量，也起到一定的减振作用。
弹性支承的刚度设计应满足转子-支承系统临界转速设计准则的要求。
弹性支承的强度设计应满足在一定静载上叠加动载荷的强度要求。同时，其变形还应满足转子-支承-机匣系统间隙设计的要求。对弹性支撑结构进行分析，十分必要。
2.2.1 计算模型（图片） 最大应力：35.5MPa；
最大变形：0.038mm（图片） 2.2 弹性支承理论计算（图片） 其中：z：笼条数量；
E：弹性模量；
b：笼条宽度；
h：鼠笼壁厚；
l：笼条长度。
则k=0.46×108 N/m
2.2.3 小结
在对鼠笼弹性支承的分析中，可看出使用SAMCEF 的有限元方法与理论计算方法之间存在偏差，这是由于理论计算公式是以笼条两端均为绝对刚性的假设为前提条件的，这并不符合真实情况。试验证明有限元素法的计算结果与试验结果更接近。
3. 结论
与其他行业内的软件相比较，SAMCEF 的优势在于：
· 更人性化的分析界面，求解器较为强大；
· 与其它 CAD、CAE 软件有良好的接口，能保证原始输入模型的细节信息；
· 完善的前后处理器，完全可以满足工程分析的要求。
· 较高的求解效率等。
通过使用SAMCEF Field 的有限元方法进行燃气轮机部件结构的强度分析，证明其计算结果精度较高，完全可以满足工程实上的需要。
4. 致谢
我们在使用Samcef 软件过程中得到了软件代理商北京东方极峰科技有限公司周传月经理和技术工程师徐志程等人的大力支持和帮助，在此深表感谢。
参 考 文 献
[1] 航空发动机设计手册总编委会. 航空发动机设计手册 第8、18 册。北京：航空工业出版社，2000.
[2] 张文健，王 孟，安利强. 轮盘结构应力与变形有限元计算.华北电力大学学报，2001.
[3] 宋兆鸿. 航空燃气涡轮发动机强度设计.北京：航空学院出版社，1987.
7/24/2009
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