燃气轮机抗冲击数值分析

总结了燃机对三种抗冲击方法的动态响应特性，并对三种计算方法的优缺点有了进一步的比较，同时对三种计算方法的可行性进行了验证。

关键词：燃气轮机;等效静力;DDAM;时程分析;抗冲击

随着计算机技术和有限元的发展出现了一种更为经济的抗冲击校核方法及数值仿真计算，该方法不会受到场地环境和实验设备的限制，计算结果的可信度也比较高。设备的抗冲击设计经历了静态等效法、动态设计分析法（dynamic design analysis method， DDAM）和时域模拟法三个阶段。

1算例分析

本文以某型号燃气轮机为算例模型，如图1为燃机模型。采用上述三种方法计算该燃机的载荷并进行有限元计算。

1.1 不同加载方向的应力结果比较

燃机在每个方向施加的载荷都是不同的，得到的计算结果也是不同的，下面对DDAM方法三个加载方向的计算结果进行应力校核与对比。下面针对燃机的受力情况选取了部分考核点，因为燃机支撑系统是最容易受到破坏的地方，所以该考核点大部分都选取在支撑系统上。如图2选取的考核点在三个方向的应力变化曲线。从图中可以看出在DDAM方法中垂向应力值在整体趋势上是最大的，横向次之，纵向应力值最小。图3是燃机各考核点在DDAM计算中三个方向的应力校核。其中

当大于1时结构失效，当小于1时结构是安全的，并且越小说明结构越安全。从图中可以看出垂向的值都比较大，大部分都超过了1，其他两个方向都有不同程度地超过强度极限的部位，所以说明该燃机结构是不符合DDAM抗冲击强度要求的。

1.2 同一方向不同方法的应力结果比较

为了对三种方法的计算结果进行比较，这里同样选取了5.2节中的考核点进行应力比较与强度校核。如图4是考核点在垂向的三种方法的应力值比较。从图中可以观察到在整体趋势上DDAM的应力值是最大的，等效静力法次之，时程分析的应力值最小。

图5是各考核点在三种计算方法下的垂向应力校核情况。采用与2.1节中相同的校核方法。从图中可以看出DDAM的应力值基本都超过了强度极限，都在标准线1的上面。等效静力与时程的应力校核值也有一部分大于1的值，说明这两种计算方法都超过了燃机强度极限。同时也说明该燃机结构在三种抗冲击环境下都容易受到破坏，尤其是DDAM。

2结语

对燃气轮机进行实体建模，然后进行等效静力、DDAM以及时域抗冲击计算，通过对计算结果的分析比较得到如下结论：

①从分析速度的角度来说，时域分析是速度最慢的，因为时域分析是在时间域上进行逐步积分，而DDAM法是在模态基础上进行的频域分析，所以速度比时域法要快，等效静力只进行简单的静力计算，所以速度快。从精度上来讲，时域法能准确地反映出整个冲击过程的动态响应，所以精度较高，但是时域法受输入载荷谱的影响很大;DDAM法考虑了高频阶段的冲击输入，而等效静力法只考虑一个简单的惯性力，所以在精度上DDAM比等效静力法更为准确。

②在三种计算理论中，由于DDAM法的输入谱中包含了高频段的冲击输入，并且没有考虑限定的位移条件，与只考虑了惯性冲击力的等效静力法以及有限定位移、速度和加速度的时域法相比响应较为剧烈，所以DDAM法也是最保守的校核方法。

③通过对比计算结果可以发现，三种方法的应力响应趋势一致;该系统的支撑结构较为容易产生强度破坏的部位;另外有一发生较大变形的部位，即前支撑腿门框，表明该部位刚度需要加强。

④根据强度校核的结果来看，部分考核点是不满足强度要求的，这是因为该结构在建模时是按照整体进行动力响应分析的需求来划分网格的，网格密度对于强度计算来说精度不够，如果需要进行更为精确的应力响应分析，需要根据不同部位的结构特点与受力特点进行更为精细的网格划分计算。另外，选取的考核部位都是容易出现应力集中的地方，除了考核部位之外的其他地方，大部分都是满足强度要求的。

参考文献：

[1]姚熊亮，刘东岳，赵新.大型复杂舰船设备抗冲击动态特性研究[J].哈尔滨工程大学学报，2008（10）.

[2]史冬岩，张成，张亮.船用住汽轮机汽缸冲击响应的计算与实验研究[J].振动与冲击，2012（12）.

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