基于有限元分析的隔板工艺支撑技术研究

时间：2024-08-31

李西

（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000）

0 引言

某大型低压2级次隔板采用子母形式的装配结构，其中低级次隔板通过悬挂销安装于高级次隔板，进而2级隔板整体安装至汽缸中，见图1。为提高加工效率和降低制造成本，2级次隔板均单独制造后再进行装配。在制造过程中，为保证隔板中分面间隙与总装及现场安装一致，上述隔板的中分面间隙检查与修配均采用工艺悬挂销支撑的工位即将隔板垂直悬空放置（仅用悬挂销支撑）并保证中分面水平对齐。由于高级次隔板的悬挂销位置为2级隔板把合后的重心位置，非把合状态时该级隔板的重心位置与挂销位置差异较大，因此，在单独对该高级次隔板进行中分面间隙检测时，悬挂销承受较大扭矩，出现隔板偏转现象，进而导致隔板中分面间隙超差。同时，隔板稳定性较差，也使得操作过程存在安全风险。

图1 某大型低压隔板装配图

本文拟从有限元分析的角度，对该级次隔板在中分面间隙检测时出现的问题进行分析、论证，并提出相应的解决方法。

1 模型创建

隔板上下半为对称结构且整副隔板立放时的状态主要由下半隔板决定，由前文可知隔板产生位移主要是由于挂销承受较大扭矩所致，因此，本文将挂销与下半隔板的装配体作为研究对象。

采用PRO/E软件建立隔板的三维几何模型，见图2。通过三维建模软件分析得出，半副隔板重87 710 N，隔板重心与悬挂槽中心的轴向距离约为295 mm，显然当隔板处于支撑工位时单个悬挂销承受扭矩为M＝25 874 N·m。

图2 隔板组件三维模型

将上述模型导入ANSYS软件，使系统与模型坐标系一致，并进行网格划分及约束设置。在划分网格时，采用自动网格划分功能，对隔板模型分别进行整体和局部网格划分。其中，对隔板和挂销分别采用四面体法和六面体法进行网格划分，见图3。另外，考虑到较薄的导叶出汽边会影响网格划分质量，因此对导叶出汽边按R3进行了钝化处理。由于该级隔板挂销槽和挂销接触面的表面粗糙度均为Ra3.2，因此，在进行接触设置时将其接触面设置为光滑无摩擦接触，并采用扩展拉格朗日接触算法。通过设置，最终得到网格单元1 008 995个和网格节点1 725 088个。建立模型约束时，采用Fixed Support对挂销底面建立固定约束，其约束与实际生产保持一致。

图3 隔板、挂销装配体网格图

2 对支撑工位隔板的静态特性分析

隔板处于支撑工位时，下半隔板除承受自身重力加速度载荷外，还承受上半副隔板的压力。因此，将上半隔板重力等效为外载荷均布于下半隔板中分面法向方向上，见图4。经有限元分析得到隔板装配体处于支撑工位时的应力分布云图，见图5。从应力分布云图可以看出：隔板悬挂销底面局部的应力最大，达到2 247.3 MPa。

图4 隔板中分面等效载荷

图5 隔板装配体应力分布云图

另外，经有限元分析得到隔板装配体处于支撑工位时的各向位移分布云图，见图6。从位移分布云图可以看出：Y向变形趋势为隔板位移从进汽侧往出汽侧逐步增大，其中隔板出汽侧端面的位移最大且为＋10.34 mm，进汽侧端面的位移最小且为－0.630 mm，另外，隔板中分面进出汽侧的高低差为10.970 mm；Z向的变形趋势为隔板位移从水平中分面往底部逐渐增大，其中隔板底部位移最大且为－34.200 mm，中分面位移最小且为＋1.890 mm。

图6 隔板体各向位移分布云图

显然，在单独对该高级次隔板进行中分面间隙检测时，悬挂销承受较大扭矩，出现隔板偏转现象，进而导致隔板中分面间隙超差。同时，隔板稳定性较差、局部应力过大，也使得操作过程存在安全风险。

3 解决方案

为有效减小隔板组件承受的扭矩、应力和变形，在隔板中分面左右法兰下端面距离挂销支点355.53 mm处分别增加一个辅助支撑销，使隔板重心位于悬挂销支点和辅助支点之间，三维模型见图7。按前述方法进行有限元分析并得到隔板装配组件立放时的应力分布云图，见图8。从应力分布云图可以看出：悬挂销紧固螺栓下端面处的应力最大，达到158.37 MPa。

图7 带辅助支撑销的三维模型图

图8 优化后的应力分布云图

另外，经有限元分析得到优化后的隔板装配组件处于支撑工位时的各向位移分布云图，见图9。从位移分布云图可以看出：Y向变形趋势为隔板位移从进汽侧往出汽侧逐步增大，其中隔板出汽侧端面的位移最大且为＋0.120 mm，进汽侧端面的位移最小且为－0.030 mm，另外，隔板中分面进出汽侧的高低差为0.070 mm；Z向的变形趋势为隔板位移从水平中分面往底部逐渐增大，其中隔板底部位移最大且为－0.240 mm，中分面位移最小且为＋0.008 mm。

图9 优化后隔板的各向分布云图

从上述分析可看出，优化后的悬挂销与辅助支撑销承受的扭矩相互抵消，大大减小了隔板组件的应力和各向位移。