【结构仿真教程】5分钟学会水轮机活动导叶强度分析

一、案例背景

水轮机是水电站发电用的设备，活动导叶是水轮机的一个部件，可以预先调节水的流量和角度。因此活动导叶会承受较大水压，发生微小变形，设计时需要对其进行静强度分析。 

本案例需要的输入文件和参数信息如下表：

图1  几何模型

二、导入几何

a. 启动AIFEM 2024R1；

b. 在窗口左侧点击+新建方案，自定义文件的保存路径，并填写文件名“水轮机活动导叶”，点击保存；

图2 新建方案

c. 在“导入几何”弹窗中选择安装目录案例集文件夹下对应的几何文件Vane.step，导入到新模型，模型名称Vane，点击导入；模型上下是轴，中间是叶片。工作中叶片两面都将受到水流的冲击力。

图3  几何导入

三、划分网格

a. 顺着左侧功能树从上到下操作，就能完成整个设置。功能树前有提示图标，红色代表必须要设置，绿色空心代表可选择设置，不设置也能求解，绿色对钩代表已设置完成，且设置正确；

图4 设置界面

b. 点击网格处的加号，选四面体网格，对象选择整个模型。单元阶次设为二阶，全局网格尺寸设为20mm，其余保持默认，点击生成，体网格就生成好了。

图5 网格划分

四、材料选择

a. 叶片材料是钢，点击材料库图标，选择钢，确定。

图6 材料选择

五、赋予属性

a. 点击加号，固体属性，对象选择整个模型，下面材料已经默认选择了我们刚从材料库中指定的钢，确定。

图7 固体属性

六、分析设定

a. 点击加号新增一个分析，我们做的是静力学结构分析，子分析步选静力，点击继续；

图8 新增分析

b. 设置子分析步，勾选“线性摄动”，意思是认为叶片的形变量不大，是线性的弹性变形，仿真中采用线性静力学算法。确定。

图9 子分析步设置

七、边界条件设置

a. 开始设置边界条件，就是根据导叶的实际装配情况固定相应的面。它这侧的端面是Z轴方向固定的，不能移动；轴上这4个弧面是X轴和Y轴方向固定的；

图10 导叶几何模型

b. 点击边界条件后的加号，位移/旋转，对象选择这个端面，点击位移的Z方向，保持默认的0，确定；

图11  边界条件设置

c. 选择轴上这四个曲面，点击位移的X和Y方向，保持默认的0，确定。边界就加好了；

图12 边界条件设置

d. 在约束是2个以上零件才涉及到的，我们这个案例模型是一个整体，没有装配，不涉及约束；

图13 约束设置

e. 载荷，就是添加模型受到的力。工作时，这个导叶的两面会受到水流带来的0.37MPa和0.074MPa的压力。点击添加压力，对象先选择弧度较大的面，压力输入0.37，确定；

图14 添加载荷设置

f. 继续添加压力，选弧度较小的面，压力输入0.074，确定；

图15 添加载荷设置

g. 辅助函数不涉及。

图16 辅助函数设置

八、运行求解

a. 双击求解。保持默认设置，求解。大概1分钟求解就完成，软件会自动加载结果。

图17 运行求解

九、查看结果

a. 默认显示的是零件的变形情况云图，可以看到最大变形区的位置；

图18 查看变形云图

b. 通过左侧的图例，可看到最大变形量，0.316mm。知道了变形量，在设计时就要预留一定的间隙，防止零件干涉；

图19 查看变形量

c. 切换为应力云图，可查看导叶的最大应力，为88.6MPa。这个应力没问题，远小于钢材的屈服应力，不会导致导叶发生永久变形。在云图中可以看到零件的应力分布，方便进行结构优化。

图20 切换应力云图

图21 查看应力云图