水轮发电机组是水力发电的关键设备。灯泡贯流式水轮机是开发低水头水力资源的优良机型。随着我国国民经济的发展,在经济发达的沿海地区和平原地区可开发的水力资源中,中高水头电站已逐步开发完毕。为适应经济飞速发展对电力的需求,开发低水头水力资源已提到了议事日程。由于我国开发贯流式机组较晚,机型以引进为主,多采用传统设计方法。应用有限单元法理论和优化设计思想并结合大型工程分析软件进行贯流式水轮发电机组的设计与开发,对于提高其设计水平和生产效率将是大有裨益的。 本论文运用有限单元法和优化分析理论,结合大型商业化工程设计分析软件Pro/e和ANSYS对灯泡贯流式水轮发电机组的关键部件之一——主轴进行了静力强度分析和优化设计分析。 首先,根据机组主轴的实际结构,应用大型三维实体几何建模软件Pro/e建造其三维实体几何模型,省略相对细小的结构,简化模型。又根据有限元分析的需要,对主轴模型进行了修改,省略法兰盘上的孔型结构。将几何模型导入到有限元分析系统ANSYS做有限元分析的前处理,构建了以十节点四面体单元为基本单元的有限元计算模型。 其次,使用ANSYS对主轴的物理模型进行了静力强度分析,得出了主轴的应力分布和变形状态。分析结果表明:在由法兰盘向轴身过渡的轴段应力较大,而且比较复杂,通过对比材料的屈服应力极限,还有较大的强度储备:主轴在各种静载荷作用下,满足强度要求。 第三,主轴的应力应变结果表明:最大应力值远小于材料的许用应力,存在进一步优化的潜力和必要。参数化建立优化设计分析模型,确立主轴的优化设计变量,优化分析目标等进行优化设计分析。计算结果表明:优化后主轴的应力应变分布更加均匀合理,充分利用了材料,减轻了重量,降低了成本。 通过对主轴的研究分析,为以后该型水轮发电机组的整机及其它零部件的有限元分析与优化设计奠定了一定的基础,也为ANSYS应用于其他水力发电设备的有限元分析与优化设计起到了指导意义。