【EDF开源CAE】Code_Aster在BP100汽轮机叶片紧固件裂缝的危害性研究中的应用

在设备维护过程中，运维人员在紧固件的凹槽底部发现了裂痕。这引起了研究设计人员们的重视，因为连接处结构的任何缺陷都有可能造成叶片脱落的严重事故。为了能够及时观测到新裂缝产生并采取相应的维护和应对措施，工程师们需要一款能够快速诊断这些缺陷的强大工具。

下面我们将通过Code_Aster对上述情景进行仿真分析。

首先，我们需要导入已有研究对象的数据并建立几何模型，并对其进行网格划分与细化。完整模型将利用更加接近实际情况的非线性方式计算，因此需要的网格也会更加复杂。完整模型的网格如下图所示，包括叶片以及紧固件部分。

几何和网格的生成在SALOME平台中完成操作。该平台可以将我们在网格生成过程中的每一步操作都采用python语言记录下来，因此，我们可以很便利地在脚本中更改命令和参数，着眼于我们感兴趣的现象集中的区域，再运行脚本直接得到期望的网格，使得整个网格划分的过程参数化、定制化。

紧固件和叶片的接触面可以在下图处清晰的看到。在叶片旋转过程中，由于离心力的作用，叶片作用于固件的力将主要施加于红色标注的区域上，紧固件这部分的压力变化将被记录下来以研究在存在裂缝和不存在裂缝情况下不同之处。

Python-Aster脚本可以用来定义裂缝的几何特征以及位置（示例中，从顶端至底端一共5个凹口），自动网格细化由HOMARD软件完成（通过Code_Aster里的MACR_ADAP_MAIL指令调用）。

网格划分并细化好之后，进入模拟运算阶段，输入设定条件：

• 分析方式：弹性行为分析

• 施加载荷：模拟转速1500rpm的离心旋转

• 边界条件：假设刚体间（叶片与紧固件）不发生相对运动；边界条件为模拟实际载荷而具有具有循环重复性。

• 紧固件接触面设定为连续性；使用NEWTON_GENERALISE算法计算摩擦

计算也将分为两种情况：一是假设叶片与紧固件均完好无损，二是假设紧固件凹槽处有裂纹的存在。后者可利用XFEM(Extended FInite ELement Model)来对裂缝处进行建模。

分析要点一 —— 网格细化程度对于凹口受力分布计算结果的影响

通过计算不同网格单元数对应的叶片吸力面与压力面的应力占比，可以优化细化网格的离散程度。如图中示例，在叶片径向单元分割数设定为120时，吸力面与压力面应力占比最为平衡，即为最优解。

分析要点二 —— 应力在结构上的分布

止动环与最底部凹口外侧面交叉处出现应力集中现象，代表此处就是裂纹容易萌生的位置。

分析要点三 —— 摩擦系数对于凹口受力分布计算结果的影响

随着摩擦增大，接口的负载分布向着压力面偏移。

以下是几类模拟运算时网格数量和所用时长等相关的数据：

1、在无摩擦基础上假设紧固件无裂缝并使用细化网格

•     条件：模型的节点自由度设为10^6，紧固件接触面节点数为3000

•     最终计算时间：大约需要1小时计算时间

2、在上述基础上考虑接触面摩擦系数C

•     C=0（无摩擦，情况1）时，计算时间为1小时

•     C=0.2时，计算时间为2小时40分钟

•     C=0.3时，计算时间为5小时

3、在无摩擦基础上假设紧固件有裂缝（使用XFEM模型）

•     条件：模型的节点自由度设为2.5 x 10^5，分配在裂缝末梢处的紧固件接触面上节点数为1400

•     最终计算时间：大约15分钟计算时间

根据这些数据提出三个优化运算时间的方案：

1、优化网格的细化和质量

2、选择更适合的求解器（MUMPS）

3、使用超算平台实现大规模并行运算

建立简化模型的目的是为了能够更快速准确的诊断出接口处安全隐患（如下图），对于简化模型中的凹口进行的模拟运算属于线性运算。

使用完整模型模拟运算的数据来验证简化模型的可行性，得到结论如下：

- 最大主应力（MPa）出现在吸力侧的最底部凹口（叶根与止动环接触的位置），与完整模型的结果相符。

- 同一位置所受应力的模拟数值 → 简化模型 > 完整模型

- 负载从出现裂纹的凹口转移向其他凹口

- 环向裂纹对于吸力面和压力面凹口总负载的影响很小

验证结果：

相比完整模型而言，简化模型可以较为快速和预警性地反映出接口实际隐患。

对于叶片接口缺陷危害研究的通用方法如下图（包含步骤以及对应步骤需要用到的Code_Aster命令）。

1、导入研究对象几何数据；

2、生成网格并细化；

3、使用X-FEM方法模拟裂纹扩展；

4、对于叶轮正常运行状态的模拟计算；

5、对于刚体结构断裂的模拟计算。