基于流固耦合的液力变矩器泵轮叶片结构强度分析研究

为更准确地研究液力变矩器叶片结构强度的仿真分析问题,借助ANSYSW orkbench的流固耦合平台,采用单向流固耦合(FSI)技术完成了液力变矩器泵轮叶片的结构强度分析;得到了液力变矩器结合流场分析和强度分析的方法,并分析了在流场影响下泵轮叶片的应力和应变情况,为液力变矩器的叶片强度优化设计提供准确的理论依据。     

基于ANSYS的航空发动机涡轮叶片有限元仿真

针对航空发动机涡轮叶片服役时工况恶劣,难以测量其应力、应变的现状,通过分析涡轮叶片工作时的物理场环境,利用CFX对叶片流场进行气动分析,在此基础之上,通过ANSYS Workbench进行叶片典型工况下气、热、固多场耦合仿真计算,得到涡轮叶片叶身部分在典型工况下的应力、应变及形变云图,最后将仿真结果与理论计算及叶片实际工作情况进行对比,证明仿真结果具有一定的准确性,其结果可为航空发动机涡轮叶片的结构设计及寿命预测提供数据参考.     

300MWe级核电站主泵流固耦合传热研究

反应堆冷却剂泵的流动、传热问题涉及计算流体力学和固体传热有限元学,流、固传热系统在交界面处边界条件的确定是一个重点。利用分区求解、边界耦合的方法将流体和固体作为一个整体研究,在交界面上先假定一个初始温度,再进行迭代计算。通过对计算结果进行分析,从而得到主泵实体及流体的温度分布与流体流动状态有密切关系,叶片温度受流动状态影响较大,轮毂处相对较小,叶轮叶片表面高温区类似涡状。为研究主泵流场、温度场和应力场的三场耦合问题,提供了依据。     

多工况下离心压缩机叶片承载的流固耦合效应分析

针对国内某大型离心压缩机叶轮叶片利用流固耦合技术,通过求解流体和固体的耦合方程,对冬季和设计工况下的叶轮叶片的应力应变分别进行了计算分析。理论分析表明,叶轮叶片的应力主要由离心力引起的拉应力和气动载荷引起的叶片弯应力构成。数值计算表明：对所研究的离心叶轮而言,离心力产生的拉应力是构成叶片应力的主要因素,而气动载荷引起的叶片应力相对较小;但单独进行力学分析其危险工作面的位置会发生变化,计算结果显示应力应变异常区域与实际叶片发生断裂的部位相一致。本文研究结果为实际运行发生事故的原因分析提供一定的依据。     

轨道车用起动变矩器泵轮叶片强度研究

该文通过对轨道车用起动变矩器的流场仿真,得到了起动变矩器内部速度场和压力场的分布情况,并将泵轮压力场作为载荷施加到泵轮叶片表面,从而计算出泵轮叶片的应力分布情况,为泵轮叶片的可靠性提供理论判据,并通过泵轮叶片的应力分布分析得到泵轮叶片在长期受载过程中的安全系数,为后续泵轮叶片的强度设计和工艺改进提供参考。     

核主泵高温工况下叶轮结构力学分析

为了验证主泵叶轮在设计工况下的完整性,通过三维软件Pro/E对主泵叶轮进行三维造型,应用计算流体力学软件ANSYS—CFX和Workbench对主泵叶轮进行耦合计算,分析了在轴向力载荷、转矩载荷、离心力载荷、混合载荷以及125%1临ti界同步转速与1.252倍转矩M。载荷工况下叶轮的最大应力强度分布。分析了叶轮应力、应变的分布规律,揭示出转子部件由于变形过大以及强度不足而引发失效事故。计算结果表明,在反应堆一回路额定工况下,在轴向力+离心力载荷工况下,叶轮产生最大应力变形,叶轮叶片最大变形发生在叶片出口尖部,变形量约0.58 nll/l;最大应力位于叶轮体及叶轮外径之间的过渡区,叶片出口区域最大应力值为112.4 MPa。     

大型轴流风机叶片的气动弹性数值分析研究

在叶轮机械的流固耦合中以弹性体流固耦合问题最具难度。在这类问题中,需要考虑叶片在运转过程中的弹性变形与振动对流场的影响以及振荡流场的反作用。以北京地铁18号专用轴流风机为例,在考虑叶片变形和流场之间相互影响的耦合状态下,探讨机叶片气固耦合问题的计算方法。采用CFX软件进行流场计算、ANSYS软件进行结构计算,以MFX- ANSYS/CFX为数据耦合平台,应用弱耦合分区法对风机叶片的气动弹性进行数值模拟分析。并与不考虑叶片弹性变形的情况进行对比,发现考虑气动弹性的最大应力几乎是不考虑气动弹性的最大应力的两倍,相应的安全系数相差较大,不考虑叶片的气动弹性容易高估叶片结构的安全性。分析考虑弹性变形对叶片结构安全性的影响,说明叶片的气动弹性分析的必要性和重要性。     

基于流固耦合的液力变矩器的泵轮叶片强度分析

为解决液力变矩器在各种工况下的叶片强度问题,利用ANSYS Mechanical与ANSYS CFX无缝集成的流固耦合平台,基于单向流固耦合(FSI)分析技术,以某型液力变矩器为研究对象,结合流场分析和强度分析,提出具体的分析方法和流程。通过计算流体动力学和结构静力学,确定了叶片的变形情况和应力分布情况,为保证液力变矩器的高效运转提供了准确的理论依据。     

排盐泵热流固耦合特性分析

为获得排盐泵实际工作状态下的结构强度,对泵内部全流场进行多工况定常数值模拟,并基于Workbench平台对泵转动部件进行了单向流固热耦合计算,得到了不同工况下转动部件的温度场、最大等效应力以及应变分布。结果表明,在排盐泵运行中,诱导轮处温度最高,且各工况下最高温度均出现在诱导轮叶片上;排盐泵最大等效应力出现在叶轮出口后盖板与叶片背面交接位置处,且小于自身材料的抗拉强度;在排盐泵叶轮上应变分布比较均匀,呈现中心对称分布,相同半径上的变形值基本相同,但是叶轮出口处,两叶片之间部分盖板的位移量大于相同半径的其他位置。     

旋流泵内液固两相流场的CFD-PBM耦合计算

为获得旋流泵内更为符合物理真实的液固两相流动特征,在传统欧拉(Euler)双流体模型基础上加载群体平衡模型(PBM),以考虑实际存在的颗粒聚并、破碎等动力学行为,与CFD耦合计算了不同流量、颗粒粒径及浓度下的液固两相流场,分析了颗粒存在对泵外特性的影响规律。计算结果表明:从进口到出口,叶片背面附近颗粒粒径明显增大;在叶轮出口位置,同一半径上,从叶片工作面到背面附近存在粒径梯度;在外缘部,沿轴向形成粒径梯度。与Euler模型计算结果对比发现:加载PBM模型后,颗粒总体浓度分布特征存在差异;同一轴截面上,颗粒浓度在中心部的分布基本相同,而在中间和外缘部位置出现差异。PBM模型计算得到的泵扬程、效率曲线更接近于实验值,证明基于CFD-PBM耦合计算的预测精度更符合实际。     

Dynamic stress analysis of sewage centrifugal pump impeller based on two-way coupling method

Current research on the operational reliability of centrifugal pumps has mainly focused on hydrodynamic instability. However, the interaction between the fluid and structure has not been sufficiently considered; this interaction can cause vibration and dynamic stress, which can affect the reliability. In this study, the dynamic stresses in a single-blade centrifugal pump impeller are analysed under different operating conditions; the two-way coupling method is used to calculate the fluid-structure interaction. Three-dimensional unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations are solved with the SST k-o9 turbulence model for the fluid in the whole flow passage, while transient structure dynamic analysis is used with the finite element method for the structure side. The dynamic stresses in the rotor system are computed according to the fourth strength theory. The stress results show that the highest stress is near the loose bearing and that the equivalent stress increases with the flow rate because the dynamic stresses are closely related to the pressure load. The stress distributions on the blade pressure side, suction side, leading edge, and trailing edge are each analysed for different flow rates; the highest stress distribution is found on the pressure side. On the blade pressure side, a relatively large stress is found near the trailing edge and hub side. Based on these results, a stress distribution prediction method is proposed for centrifugal pumps, which considers the interaction between the fluid and structuxe. The method can be used to check the dynamic stress at different flow rates when optimising the pump design to increase the pump reliability.     

Fretting fatigue in dovetail blade roots: Experiment and analysis

A biaxial fatigue experiment is described which is capable of simulating the loading experienced by a dovetail blade root in an aircraft gas turbine. A comprehensive stress analysis of the experimental configuration has been undertaken and a semi-analytical approach has been developed to provide accurate estimates of surface tractions and subsurface stress fields. The forces (normal and shear) and moment for the semi-analytical model are calculated from the global finite element analysis of the dovetail in which coarse elements were used. The bulk stress and the bending stress in the disk and blade were evaluated by calculating the membrane and bending stresses across the thickness of the disk and blade. Short crack arrest methods have been applied to the results of the stress analysis to predict the fatigue performance of the blade specimens. The results show a good agreement with the experimental observations.     

流固耦合下轴流压气机叶片振动特性数值研究

气流扰动触发的叶片振动是导致叶片疲劳失效的主要原因,针对此问题,首先,建立叶片流固耦合时域计算模型,研究叶片振动特性,并进行叶片失效分析;其次,建立压气机叶片振动分析模型,结合叶片振动试验来验证模型的有效性;然后,考虑气体与叶片的耦合作用,通过数值仿真模拟得到典型工况下的叶片表面气动载荷,并将其引入旋转叶片有限元振动分析模型进行叶片振动响应计算;最后,引入坎贝尔图确定叶片危险工况,得到危险工况下的叶片动应力分布,并进行叶片疲劳失效分析。结果表明:临界工况下叶片振动应力分布与发生共振的模态振型密切相关;临界转速下叶片发生的1阶共振是造成叶片失效的主因。     

基于BP神经网络的波形刃铣刀片模糊综合评判系统

针对波形刃铣刀片耦合场的非稳态特性,基于铣削温度和铣削力试验以及有限元分析,利用BP神经网络LM算法预测了铣刀片温度场和应力场;运用模糊数学理论,根据加工要求和专家分析,用VC++开发了波形刃铣刀片模糊综合评判系统。该系统可对多因素作用下的铣刀片温度场、应力场和耦合场的优劣进行评判,为铣刀片三维复杂槽型的重构提供依据。     

压气机叶片流固耦合的强度和振动研究

为了研究流固耦合场对叶片强度与振动参数的影响,采用流体动力学和有限元方法,对压气机叶片进行了单向流固耦合分析。通过软件之间的接口,实现压力场数据的传递,并对加载气动力后的计算模型进行强度分析和模态分析,得到压气机大小叶片的应力应变云图以及固有频率和相应的模态振型,计算比较了离心力、气动力对应力和固有频率的影响。计算结果表明,流固耦合对叶片的结构强度和模态振型影响较小。通过频率分析,找出了叶片的共振频率,从而为叶片的优化提供依据。     

Fluid-structure interaction analysis and lifetime estimation of a natural gas pipeline centrifugal compressor under near-choke and near-surge conditions

Up to present, there have been no studies concerning the application of fluid-structure interaction(FSI) analysis to the lifetime estimation of multi-stage centrifugal compressors under dangerous unsteady aerodynamic excitations. In this paper, computational fluid dynamics(CFD) simulations of a three-stage natural gas pipeline centrifugal compressor are performed under near-choke and near-surge conditions, and the unsteady aerodynamic pressure acting on impeller blades are obtained. Then computational structural dynamics(CSD) analysis is conducted through a one-way coupling FSI model to predict alternating stresses in impeller blades. Finally, the compressor lifetime is estimated using the nominal stress approach. The FSI results show that the impellers of latter stages suffer larger fluctuation stresses but smaller mean stresses than those at preceding stages under near-choke and near-surge conditions. The most dangerous position in the compressor is found to be located near the leading edge of the last-stage impeller blade. Compressor lifetime estimation shows that the investigated compressor can run up to 102.7 h under the near-choke condition and 200.2 h under the near-surge condition. This study is expected to provide a scientific guidance for the operation safety of natural gas pipeline centrifugal compressors.     

半开式离心压缩机叶轮叶片单向流固耦合分析

采用非结构化网格有限体积法和有限元方法,进行了不同工况半开式离心叶轮叶片单向气动与强度流固耦合分析。根据计算结果,分析了设计工况下叶片分别在气动载荷、离心惯性力载荷和耦合前两种载荷下的变形、应力分布。并对比分析了不同工况下气动载荷和耦合气动载荷和离心惯性力载荷情况下叶片的最大总变形和最大应力。得出了3种载荷情况下半开式离心叶轮叶片变形和应力的分布特征,探讨了工况变化对叶片的最大总变形和最大应力的影响。     

部分负荷下混流式水轮机转轮叶片变形对流场的影响

将CFD流动分析软件与结构刚强度软件有机结合,对混流式转轮在不同工况下的流动进行分析。通过程序将流场参数加载到结构分析软件上,对变形后的叶片再次进行网格划分流场计算,并计算出混流式转轮叶片上的应力和变形,详细分析了转轮变形后的流场,达到了真正意义上的流固耦合。研究结果表明:最大应力发生在转轮叶片的出水边与上冠的连接处,应力集中较明显,易于发生疲劳破坏。产生最大变形的部位是转轮叶片的出水边与下环的连接处,且从上冠到下环变形量逐渐增大,即此部位就是叶片振动的敏感区域;转轮变形后对水轮机内部流场的影响表现在叶片进口边头部压力增大,叶片出口边靠下环处流速增大、压力下降,空化性能降低。变形后的流场使得尾水管内部的涡带产生、紊动加剧,说明叶片变形后对水轮机内部流场的影响是引起水轮机裂纹和振动的真正原因。