基于有限元分析的隔板工藝支撐技術(shù)研究

李西

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

某大型低壓2級次隔板采用子母形式的裝配結(jié)構(gòu)，其中低級次隔板通過懸掛銷安裝于高級次隔板，進(jìn)而2級隔板整體安裝至汽缸中，見圖1。為提高加工效率和降低制造成本，2級次隔板均單獨制造后再進(jìn)行裝配。在制造過程中，為保證隔板中分面間隙與總裝及現(xiàn)場安裝一致，上述隔板的中分面間隙檢查與修配均采用工藝懸掛銷支撐的工位即將隔板垂直懸空放置（僅用懸掛銷支撐）并保證中分面水平對齊。由于高級次隔板的懸掛銷位置為2級隔板把合后的重心位置，非把合狀態(tài)時該級隔板的重心位置與掛銷位置差異較大，因此，在單獨對該高級次隔板進(jìn)行中分面間隙檢測時，懸掛銷承受較大扭矩，出現(xiàn)隔板偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致隔板中分面間隙超差。同時，隔板穩(wěn)定性較差，也使得操作過程存在安全風(fēng)險。

圖1 某大型低壓隔板裝配圖

本文擬從有限元分析的角度，對該級次隔板在中分面間隙檢測時出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析、論證，并提出相應(yīng)的解決方法。

1 模型創(chuàng)建

隔板上下半為對稱結(jié)構(gòu)且整副隔板立放時的狀態(tài)主要由下半隔板決定，由前文可知隔板產(chǎn)生位移主要是由于掛銷承受較大扭矩所致，因此，本文將掛銷與下半隔板的裝配體作為研究對象。

采用PRO/E軟件建立隔板的三維幾何模型，見圖2。通過三維建模軟件分析得出，半副隔板重87 710 N，隔板重心與懸掛槽中心的軸向距離約為295 mm，顯然當(dāng)隔板處于支撐工位時單個懸掛銷承受扭矩為M＝25 874 N·m。

圖2 隔板組件三維模型

將上述模型導(dǎo)入ANSYS軟件，使系統(tǒng)與模型坐標(biāo)系一致，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分及約束設(shè)置。在劃分網(wǎng)格時，采用自動網(wǎng)格劃分功能，對隔板模型分別進(jìn)行整體和局部網(wǎng)格劃分。其中，對隔板和掛銷分別采用四面體法和六面體法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖3。另外，考慮到較薄的導(dǎo)葉出汽邊會影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量，因此對導(dǎo)葉出汽邊按R3進(jìn)行了鈍化處理。由于該級隔板掛銷槽和掛銷接觸面的表面粗糙度均為Ra3.2，因此，在進(jìn)行接觸設(shè)置時將其接觸面設(shè)置為光滑無摩擦接觸，并采用擴(kuò)展拉格朗日接觸算法。通過設(shè)置，最終得到網(wǎng)格單元1 008 995個和網(wǎng)格節(jié)點1 725 088個。建立模型約束時，采用Fixed Support對掛銷底面建立固定約束，其約束與實際生產(chǎn)保持一致。

圖3 隔板、掛銷裝配體網(wǎng)格圖

2 對支撐工位隔板的靜態(tài)特性分析

隔板處于支撐工位時，下半隔板除承受自身重力加速度載荷外，還承受上半副隔板的壓力。因此，將上半隔板重力等效為外載荷均布于下半隔板中分面法向方向上，見圖4。經(jīng)有限元分析得到隔板裝配體處于支撐工位時的應(yīng)力分布云圖，見圖5。從應(yīng)力分布云圖可以看出：隔板懸掛銷底面局部的應(yīng)力最大，達(dá)到2 247.3 MPa。

圖4 隔板中分面等效載荷

圖5 隔板裝配體應(yīng)力分布云圖

另外，經(jīng)有限元分析得到隔板裝配體處于支撐工位時的各向位移分布云圖，見圖6。從位移分布云圖可以看出：Y向變形趨勢為隔板位移從進(jìn)汽側(cè)往出汽側(cè)逐步增大，其中隔板出汽側(cè)端面的位移最大且為＋10.34 mm，進(jìn)汽側(cè)端面的位移最小且為－0.630 mm，另外，隔板中分面進(jìn)出汽側(cè)的高低差為10.970 mm；Z向的變形趨勢為隔板位移從水平中分面往底部逐漸增大，其中隔板底部位移最大且為－34.200 mm，中分面位移最小且為＋1.890 mm。

圖6 隔板體各向位移分布云圖

顯然，在單獨對該高級次隔板進(jìn)行中分面間隙檢測時，懸掛銷承受較大扭矩，出現(xiàn)隔板偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致隔板中分面間隙超差。同時，隔板穩(wěn)定性較差、局部應(yīng)力過大，也使得操作過程存在安全風(fēng)險。

3 解決方案

為有效減小隔板組件承受的扭矩、應(yīng)力和變形，在隔板中分面左右法蘭下端面距離掛銷支點355.53 mm處分別增加一個輔助支撐銷，使隔板重心位于懸掛銷支點和輔助支點之間，三維模型見圖7。按前述方法進(jìn)行有限元分析并得到隔板裝配組件立放時的應(yīng)力分布云圖，見圖8。從應(yīng)力分布云圖可以看出：懸掛銷緊固螺栓下端面處的應(yīng)力最大，達(dá)到158.37 MPa。

圖7 帶輔助支撐銷的三維模型圖

圖8 優(yōu)化后的應(yīng)力分布云圖

另外，經(jīng)有限元分析得到優(yōu)化后的隔板裝配組件處于支撐工位時的各向位移分布云圖，見圖9。從位移分布云圖可以看出：Y向變形趨勢為隔板位移從進(jìn)汽側(cè)往出汽側(cè)逐步增大，其中隔板出汽側(cè)端面的位移最大且為＋0.120 mm，進(jìn)汽側(cè)端面的位移最小且為－0.030 mm，另外，隔板中分面進(jìn)出汽側(cè)的高低差為0.070 mm；Z向的變形趨勢為隔板位移從水平中分面往底部逐漸增大，其中隔板底部位移最大且為－0.240 mm，中分面位移最小且為＋0.008 mm。

圖9 優(yōu)化后隔板的各向分布云圖

從上述分析可看出，優(yōu)化后的懸掛銷與輔助支撐銷承受的扭矩相互抵消，大大減小了隔板組件的應(yīng)力和各向位移。

4 結(jié)語

本文從三維建模和有限元分析的角度對某大型低壓隔板中分面間隙控制序的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，得到了該隔板處于支撐工位時的靜態(tài)特性。另外，本文還制定了合理的解決方案并通過有限元分析得到了該級隔板優(yōu)化后的靜態(tài)特性，結(jié)果表明優(yōu)化方案能夠滿足制造要求。