[发明专利]一种基于有限元模型的汽轮机转子疲劳损伤在线计算方法

说明书

本发明提出了一种基于有限元模型的汽轮机转子疲劳损伤在线计算方法，包括：用有限元软件ADINA对汽轮机转子进行建模，计算温度场和应力场；提取关键部位的温度数据和热应力数据；根据第四强度理论计算合应力；对实测的应力数据进行归一化处理；建立支持向量回归机模型，并对输入输出数据进行训练和计算；解析并拟合应力‑损伤函数关系，实时计算疲劳损伤；建立疲劳损伤在线计算系统架构。本发明可以解决现有技术中转子低周疲劳损伤在线计算和高精度计算难以共融的问题。

技术领域

本发明涉及汽轮机转子低周疲劳损伤计算与评估领域，特别是涉及有限元数值计算方法和支持向量回归机在线计算方法。

背景技术

汽轮机转子作为汽轮机组的重要部件之一，其金属材料的各种损伤会对设备的安全运行有重大的影响。由于汽轮机转子长期处于高温、高压、变工况的恶劣工作环境下，受力情况十分复杂，转子金属容易产生低周疲劳。而根据工程经验和已有的实验结果，可以确定低周疲劳损伤大约占到80％，是汽轮机转子损伤的主要原因。因此，为了预防汽轮机转子疲劳损伤引发的安全问题，对汽轮机转子的疲劳损伤进行在线计算尤为重要。

目前在计算转子低周疲劳的方法中，主要分为解析法和数值计算法。解析法是将转子模型降维简化为无线长圆筒，根据不稳定导热微分方程和积分方程求温度场，再根据温差平均值计算热应力，计算速度快，适合在线计算。它根据转子的结构特点、材料物理参数、边界条件、初始条件，对转子最容易产生裂纹的部位进行最大应力计算。解析法简化了模型，忽略了热流的影响，仅考虑径向温差，因而计算精度不高。而数值分析方法不做降维处理，在二维模型或者三维模型的基础上，离散化几何形状连续体，同时考虑对流换热系数和材料物理特性随空间、时间变化等因素，因而具备较高的计算精度。但是其缺点由于计算量偏大，难以实现在线计算。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于有限元模型的汽轮机转子疲劳损伤在线计算方法，用于解决现有技术中转子低周疲劳损伤在线计算和高精度计算难以共融的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，提供一种基于有限元模型的支持向量回归机方法，所述方法包括：用有限元软件ADINA对汽轮机转子进行建模，计算温度场和应力场；提取关键部位的温度数据和热应力数据；根据第四强度理论计算合应力；对实测的应力数据进行归一化处理；建立支持向量回归机模型，并对输入输出数据进行训练和计算；解析并拟合应力-损伤函数关系，实时计算疲劳损伤；建立疲劳损伤在线计算系统架构。

优选地，用有限元软件ADINA对汽轮机转子进行建模，计算各个工况下的温度场和应力场。其中计算汽轮机转子的不稳定温度场的时候，转子外表面的边界条件由蒸汽对转子表面的换热速度来确定，属于传热学中的第三类边界条件，即边界与介质的热交换条件为已知：

其中T_f——与转子表面接触的气温，α——蒸汽与转子表面的放热系数。

优选地，提取关键部位的温度数据和热应力数据。在金属材料计算疲劳损伤时，都会呈出应力集中的区域，例如汽轮机转子的调节剂根部、高压级根部以及弹性力槽底部。疲劳破坏一般是从应变集中的部位的最大局部应变处首先出现的，在裂纹萌生的以前，都要产生并累积一定的塑性应变。因此提取实测应力数据的时候，根据工程经验在调节级的根部提取相应的热应力数据。

优选地，根据第四强度理论计算合应力。数值计算法中，为了保证计算精度，不能简单忽略各类应力的作用，因此需要根据第四强度理论进行计算：

其中：σ_∞m——和应力；y，θ，r——分别为代表轴向，切向和径向；τ_yr——剪切应力。