西门子应用Ansys工具进行燃气万博轮机壳体低周疲劳概率分析

西门子公司应用Ansys、Statis万博tics on Structures和Ansys opti俚语对燃气轮机壳体的几何变化及其对疲劳行为的影响进行概率分析。

介绍

西门子股份公司生产用于发电的大型燃气轮机，例如400兆瓦的燃气轮机SGT5-8000H或高达600兆瓦的CCPP。标题图像显示了这样一个涡轮机在其组装。这些燃气轮机以其高效率而闻名(GT为40%，GUD甚至超过60%)。客户寻求高效、可靠、可用、灵活和经济的发电机组。与可再生能源的竞争迫使发电厂提高涡轮机的成本效益。从技术上讲，如果人们能够重新定义安全系数和寿命的大小，改变维护说明，增加检查间隔，或者简单地找到新的技术解决方案，这将导致问题。无论如何，优化设计和维护周期将继续接近产品性能的极限。安全系数通常应用于材料性能(例如，性能的分散、空间分布、疲劳曲线的分散)、边界条件(例如，载荷、环境参数、操作参数)和几何变化(例如，制造公差)。然而，这些参数的相互作用只能通过概率方法来考虑。

本文提出了一种几何变化及其对燃气轮机壳体疲劳性能影响的概率分析策略。任务是量化几何散射对应力和寿命的影响。这可以通过估计统计属性并将其转换为故障概率来实现。这些知识可以帮助调整安全系数和维修行动之间的持续时间，或者可以改善制造公差的质量控制。

分析的工作流程从获得生产后相对于目标CAD几何的实际几何偏差的知识开始。通过激光扫描可以对真实表面进行精确测量。对多个设计的扫描用于创建几何变化的统计模型。随后，该模型能够生成新的虚拟随机几何。这些作为CAE分析的输入。类似蒙特卡罗的抽样最终可以用来预测响应量的统计特性，如应力或耐久性因素。

工作流步骤

1.测量

表面激光扫描的产生是第一个挑战，因为外壳的直径为4.9米，长度为13.1米，重量为390吨。目前的扫描技术产生了大量的数据量(超过1gb的数据来存储一次180°扫描的三角测量)。由于物体的大小，需要多个扫描仪位置。摄影测量系统GOM Tripod与GOM ATOS三重扫描相结合用于支持这些测量。

在生产和准备交付之间，扫描涡轮机的时间是有限的。因此，对于一些涡轮外壳，只能扫描部分表面。由于几何形状复杂，也有一些零件是扫描设备无法接近的。因此，三角测量必须在之后进行编辑，即修复网格，去特征，填充孔，去除异常值，减少三角形数量(见图2中的后期处理)。长交付周期也导致在可接受的项目时间内只能测量少数涡轮外壳。因此，通常可用的样本数量非常少。通过考虑几何的对称性，可以获得更多的虚拟样本。

2.几何公差统计模型

在鲁棒性分析中创建了新的随机虚拟几何。使用opti俚语，统计属性(例如分布类型、平均值、标准差、相关性)通常分配给一小组参数。软件使用这些信息根据预先定义的方案改变输入参数。统计性质必须从激光扫描的分析中获得。在这个项目中，选择一个随机场模型(“统计形状模型”)来表示几何变化。在这里，统计属性与房屋边界上的每个点相关联。这与试图找到CAD参数的统计描述的方法非常不同。随机场模型允许变异模式的空间分布具有更高的准确性，因为它与FEM节点相关联，而不仅仅是几个参数。通过对测量结果的分析，可以自动获得参数化。

首先，通过将测量值(通过定义边界的STL文件给出)映射到未变形的FEM网格表面，将测量值导入到SoS中。SoS自动确定每个FEM节点在每个测量值与参考几何之间的几何偏差(垂直于表面测量)。接下来的步骤是进行统计分析。对于每个FEM节点，可以确定平均偏差和平均值周围变化的大小(=标准差)。从这个分析中可以得出第一个指示，在哪些位置可以预期与CAD几何形状有很大的偏差(通过检查平均值)，以及在哪些位置由于生产过程中的自然变化而产生很大的变化(标准偏差)。有趣的是，这些地点在我们的项目中是不同的。如果有更多的样本可用，我们将扩展SoS分析，通过分位数值和超出概率搜索关键位置。无论如何，该分析有助于在质量控制的背景下更深入地调查统计数据。

下一步是为几何偏差创建统计模型。随机场模型基本上由“变异模式”或“散点形状”组成。使用预先定义的足够大的样本集(例如80个)，SoS首先分析相关变化模式的数据。一旦被识别，SoS可以通过序列展开来表示每次测量，其中每个变化形状通过某些系数进行缩放并添加到平均值中。通常，只有少数变化模式(5-10)足以表示具有高精度的原始测量值。

在这个项目中，只有非常少量的测量是可用的。因此，使用基于某些工程假设(例如相关长度参数)的分析函数创建了变化模式。然而，所获得的模型足够精确，可以表示测量中看到的每个FEM节点的平均值和标准差。在SoS中，这被称为“合成随机场模型”。

统计形状模型不是为整个边界创建的。虽然在测量中发现了所有边界位置的非零偏差，但几何偏差的产生必须限制在表面斑块上。一些表面零件在成型后进行机加工，例如，钻孔和研磨以连接其他结构，如螺钉。此外，为了确保CAE模型的数值稳定性，某些表面部件(如接触边界)必须保持不变。

3.数值模型

数值模型主要在Ansys Workbench中生成。万博本文建立了气体流动的半解析热模型，并结合瞬态热-力学模型来预测温度和应力的空间分布。随后，利用西门子GT内部软件进行了低周疲劳(LCF)分析。三维有限元模型包括螺栓接触和定义随时间变化的加载条件的热瞬态。

90°壳体零件的原始力学模型由840k个节点和380k个单元组成。单个设计的总计算时间需要超过30gb的磁盘空间，在中等HPC硬件上大约需要三天。因此，在一个简单的稳健性分析的实验设计中运行100个样本在项目时间内是不可行的。为了提高时间和存储需求，只考虑一个子模型，剩余240k个节点和270k个有限元。硬件需求可以减少到7 GB磁盘空间和每个示例2小时。

利用CAD几何模型建立了数值模型。一旦有了可用的有限元网格，就可以建立统计形状模型。这些几何变化并不适用于CAD模型，而是适用于FEM节点的坐标。SoS不改变或重新划分FEM网格，相反，它将FEM节点“变形”到所需的位置。

在Ansys Work万博bench模型将被opti俚语评估之前，SoS在Ansys Workbench模型文件夹中准备APDL宏，用于指导Ansys Mechanical如何更改几何形状。SoS进一步采用了先进的稳定和平滑算法，确保了变化后有限元网格的稳定性和可计算性。在进行鲁棒性分析之前，使用均值几何完成求解链的测试运行。

4.稳健性分析及结果

稳健性分析的目的是回答以下问题:

• 在“真实”几何形状和参考几何形状之间，应力分布或耐久性因素是否存在差异?
• 如果考虑几何散射，对应力和耐久系数是否有显著影响?影响有多大?

第一个问题可以通过将每个测量值转移到CAE模型中来回答，或者简单地通过计算平均几何来回答。第二个问题需要随机容忍度分析。在这里，一个实验设计(DOE)是虚拟创建和评估。工作流如图8所示。这涉及随机场参数根据其统计分布的变化。SoS通过假设不相关的标准正态变量简化了选择。CAE分析的结果(温度、应力、耐久性因子等)既可以在opti俚语中分析(例如通过它们的最大值)，也可以在SoS中分析。为此，Ansys RST文件万博由SoS重新评估。现在可以对结果量进行统计分析。例如，可以将应力与不同安全水平的临界极限(超出概率)进行比较。 Further, the location of possible critical stresses can be easily identified.

由于测量次数少，统计模型的准确性不够，本项目未分析失效概率。此外，可以使用最优预后场元模型(FMOP)进行敏感性分析。FMOP将应力或温度对每个FEM节点各自输入参数的敏感性联系起来。在此分析中，每个输入参数代表一定的变化模式。这表明哪个几何变化形状与关键位置的温度或应力有关。结果进一步证明了生产中对各变异型的几何公差的质量标准。

软件与方法

应用软件及其特定功能一览表:

万博Ansys optiSLang

• 工作流的管理和自动化。
• 生成随机参数值和DOE。
• 标量响应分析。

万博

• 热-力学模型的生成。

西门子GT

• 低周疲劳求解器。

结构统计

• 测量结果的统计分析。
• 生成新的随机几何形状并转移到CAE过程中。
• 三维有限元结果的统计分析。
• 三维FMOP有限元结果敏感性分析。