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

SIEMENS AG应用Ansys、S万博tatistics on Structures和Ansys optiSLang对几何变化及其对燃气轮机壳体疲劳行为的影响进行概率分析。

简介

西门子公司生产用于发电的大型燃气轮机，例如400兆瓦的SGT5-8000H燃气轮机或600兆瓦的CCPP燃气轮机。标题图片显示了这样一个涡轮在其组装过程中。这些燃气轮机以其高效率而闻名(GT为40%，GUD甚至超过60%)。客户寻找高效、可靠、可用、灵活和具有成本效益的发电机组。与可再生能源的竞争给发电厂提出了提高涡轮机成本效益的强烈目标。从技术上讲，这就导致了一个问题，即是否可以重新定义安全系数和寿命的大小，更改维护说明，增加检查间隔，或者只是找到新的技术解决方案。无论如何，设计和维护周期的优化将继续朝着产品性能的极限前进。安全系数通常应用于材料性能(例如，性能的分散性、空间分布、疲劳曲线中的分散性)、边界条件(例如，加载、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用概率方法来考虑。

本文提出了一种几何变化及其对燃气轮机机壳疲劳行为影响的概率分析策略。其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护动作之间的持续时间，或者可以改善制造公差的质量控制。

分析的工作流程首先是获得生产后相对于目标CAD几何的实际几何偏差的知识。对真实表面的精确测量可以通过激光扫描完成。对多个设计的扫描被用来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图形。这些可以作为CAE分析的输入。类蒙特卡罗抽样最终可用于预测响应量的统计性质，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，因为外壳直径4.9米，长度13.1米，重量390吨。目前的扫描技术会产生大量的数据(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，需要几个扫描器位置。摄影测量系统GOM Tripod与GOM ATOS三扫描相结合，用于支持这些测量。

扫描涡轮机的可能时间在生产和准备交付之间是有限的。因此，对于某些涡轮壳体，只能扫描部分表面。由于几何形状复杂，还有一些部分是无法通过扫描设备访问的。因此，三角测量必须在之后进行编辑，即修复网格、去特征化、填充孔洞、去除异常值、减少三角形数量(参见图2中的后期处理)。较长的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机壳体。因此，通常只有很少数量的样本可用。通过考虑几何的对称性，可以无形中获得更多的样本。

2.几何公差的统计模型

在鲁棒性分析中创建了新的随机虚拟几何。使用optiSLang，统计属性(例如分布类型、平均值、标准偏差、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。统计特性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。随机场模型允许在变化模式的空间分布中有更高的精度，因为它与FEM节点联系在一起，而不仅仅是几个参数。参数化可以通过对测量值的分析自动得到。

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。SoS自动确定几何偏差(测量垂直于表面)为每个FEM节点之间的每个测量和参考几何。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的变化幅度(=标准偏差)。第一个指示可以从该分析中导出，在哪些位置可以预期与CAD几何形状有较大偏差(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获得较大变化(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，通过分位数值和超过概率搜索关键位置。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“变化模式”或“散射形状”组成。有了预先定义的足够大的样本集(例如80)，SoS首先分析相关变化模式的数据。一旦被确定，SoS可以通过级数展开来表示每个测量值，其中每个变化形状都被一些系数缩放并添加到平均值中。通常情况下，只有少数的变化模式(5-10)足以代表具有较高精度的原始测量。

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)的分析函数来创建变化模式。尽管如此，得到的模型足够准确，可以表示每个FEM节点的平均值和标准偏差，如测量结果所示。在SoS中，这被称为“合成随机场模型”。

没有对整个边界建立统计形状模型。虽然在测量中所有边界位置都发现了非零偏差，但几何偏差的产生必须局限于表面斑块。一些表面零件在成型后进行机械加工，例如，钻孔和研磨以附着其他结构，如螺钉。此外，为了保证CAE模型的数值稳定性，某些表面部分(如接触边界)不能改变。

3.数值模型

数值模型主要在Ansys Workbench中生成。万博在这里，实现了半解析热模型的气体流动耦合瞬态热-力学模型预测温度和应力的空间分布。随后，使用SIEMENS GT内部软件进行了低周疲劳(LCF)分析。三维有限元模型包括锚杆触点和定义随时间变化的加载条件的热瞬态。

90°壳体部分的原始力学模型由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30 GB的磁盘空间，在中型HPC硬件上大约需要3天。因此，在项目时间内，在一个简单的稳健性分析的实验设计中运行100个样本是不可行的。为了提高时间和存储需求，只考虑一个子模型，剩下240k节点和270k有限元。硬件需求可以减少到7 GB的磁盘空间和每个样本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。这些几何变化并不应用于CAD模型，而是应用于FEM节点的坐标。SoS并不改变或重新网格FEM网格，相反，它将FEM节点“变形”到所需的位置。

在optiSLang评万博估Ansys Workbench模型之前，SoS在Ansys Workbench模型文件夹中准备APDL宏，用于指导Ansys Mechanical如何改变几何形状。SoS进一步采用先进的稳定和平滑算法，保证了改变后的有限元网格的稳定性和可计算性。在进行鲁棒性分析之前，使用平均值几何完成求解器链的测试运行。

4.稳健性分析及结果

稳健性分析的目标是回答以下问题:

• “真实”几何图形和参考几何图形之间的应力分布或耐力因素是否存在差异?
• 如果考虑几何散射，是否对应力和耐力因子有显著影响?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，或者简单地说，通过计算平均几何图形来回答。第二个问题需要随机公差分析。在这里，一个实验设计(DOE)被虚拟地创建和评估。工作流如图8所示。这涉及到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、耐久因子等)可以在optiSLang中进行分析(例如通过它们的最大值)或在SoS中进行分析。为此，Ansys RST文件万博由SoS重新评估。现在可以对结果数量进行统计分析。例如，可以将应力与不同安全水平(超过概率)的临界极限进行比较。 Further, the location of possible critical stresses can be easily identified.

在本项目中没有分析失效概率，因为由于测量次数较少，统计模型的精度不够。此外，可以使用最佳预后的场元模型(FMOP)进行敏感性分析。FMOP将应力或温度的敏感性与每个FEM节点相关联，以获得各自的输入参数。在这个分析中，每个输入参数都代表了一定的变化规律。这表明哪些几何变化形状与关键位置的温度或应力有关。结果进一步验证了生产中对各变异形状几何公差的质量准则。

软件和方法

应用软件及其特定功能列表:

万博Ansys optiSLang

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

万博

• 热-力学模型的生成。

西门子GT

• 低周疲劳求解器。

结构统计数字

• 测量的统计分析。
• 生成新的随机几何图形并转移到CAE过程中。
• 三维有限元结果的统计分析。
• 三维FMOP有限元结果灵敏度分析。