轮盘结构应力与变形有限元计算

　　1引言

　　轮盘或叶轮是旋转机械中的常见部件，如水泵叶轮、风机叶轮轮盘、汽轮机转子上的轮盘等，其强度是设计、加工中重点考虑的问题之一。为分析方便，工程上常将叶轮等简化成轴对称结构进行分析计算。文献〔l]将叶轮上离散的叶片进行简化处理，等效成含有夹层的轴对称轮盘进行计算，认为轮盘的夹层部分是由“假想材料”组成的，该“假想材料”的材料力学性能参数与叶片的材料、尺寸等有关。夹层材料对叶轮前盘和后盘的作用力近似认为沿圆周是均匀分布的，这样就把叶轮的强度计算问题转化成了轮盘的强度计算问题。

　　工程中常用的轮盘应力分析方法有适用于等厚轮盘的解析法，变厚度轮盘的二次计算法和直接解法[2l。变厚度轮盘的二次解法为求解复杂形状轮盘提供了十分有效的手段，但在实际使用过程中存在计算过程复杂、计算工作量大，并要不断地查图表，以获得有关的系数，易产生误差。直接解法在二次解法的基础上，提高了求解的效率和精度。但二次解法和直接解法都是将轮盘简化成一系列的等厚度圆环进行研究，很难考虑轮盘结构的局部变化，如过渡部位的圆角、开槽、开孔等对轮盘应力分布规律的影响，也无法表现由这些因素所引起的轮盘局部的应力集中现象。文献【3]的研究表明，离心叶轮的破坏一般是因为某些部位的应力集中所造成的，而离心应力较大的部位很少出现问题。因此，对轮盘(叶轮)内应力进行更为详细的分析是必要的。

　　结构分析有限元法是求解复杂结构应力分布的一种有效数值方法，有限元法可充分考虑轮盘结构的复杂变化，各种复杂的边界条件，求得轮盘上各部位详细的应力分布，为轮盘结构的精确设计和优化设计提供保证。随着计算技术的发展，有限元分析可视化日趋成熟，使有限元分析前后处理更加简单，并可获得形象的结果，非常方便工程应用。

　　1轮盘的有限元模型

　　轮盘为轴对称的旋转零件，其结构具有轴对称特点，由此可建立轮盘结构分析的有限元方程I’]。考虑轮盘的工作条件，其工作时所承受的载荷比较复杂，主要载荷有以下几种:轮盘与轴接触部位的过盈配合应力、轮缘部位叶片的离心力和轮盘自身的离心力、工作介质产生的轴向载荷、温度载荷，这些载荷都具有轴对称的特点。由于轮盘自重产生的应力以及扭转应力较小，可以忽略不计，因此可以将轮盘有限元应力分析作为轴对称问题进行分析，使分析规模大大减小。-

　　在有限元分析时，轮盘外缘处叶片的离心应力简化为径向均布拉应力，内径处过盈配合应力简化为径向均布压应力，由土作介质的压力差可计算出轴向载荷，将轮盘各节点的温度作为计算温度场输入可计算温度载荷。