杭州汽輪機(jī)股份有限公司，是我國最大的工業(yè)汽輪機(jī)制造公司。是國內(nèi)工業(yè)汽輪機(jī)研究和生產(chǎn)重要基地，也是國內(nèi)唯一能按用戶的特殊需要，非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制造工業(yè)汽輪機(jī)的廠家。
公司于2006年開始接觸ANSYS固體力學(xué)有限元軟件以及CFX計算流體力學(xué)軟件，ANSYS主要用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的葉片、轉(zhuǎn)子等部件的強(qiáng)度、氣流彎應(yīng)力的分析以及缸體強(qiáng)度校核、變形分析，CFX主要用于進(jìn)行汽輪機(jī)工作中的氣動計算，分析其流場分布、瞬態(tài)速度、汽流激振力等。除分析現(xiàn)有機(jī)組的特性外，還利用仿真軟件進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，使機(jī)組能夠更好的滿足用戶的要求。
一體化設(shè)計平臺助力企業(yè)研發(fā)
一個產(chǎn)品的研發(fā)，是一個系統(tǒng)的工程，它涉及到多學(xué)科方方面面的內(nèi)容，需要建立一整套的“設(shè)計、分析、評估”體系，這就需要建立一個能夠容納整個體系的技術(shù)平臺，只有有了這樣的一個平臺，才能更好地利用設(shè)計數(shù)據(jù)庫，才能更有效地提高技術(shù)開發(fā)的效率和能力。表1給出了開發(fā)平臺體系的學(xué)科構(gòu)架。
表1 開發(fā)平臺體系的學(xué)科構(gòu)架
目前，仿真軟件已經(jīng)成為公司研發(fā)過程中的必備手段，能有效提高機(jī)組的性能設(shè)計工作效率。例如在低壓級組葉片開發(fā)過程中，對于初始設(shè)計更多地需要依靠已有的工程經(jīng)驗和行業(yè)內(nèi)的快速設(shè)計方法，在此基礎(chǔ)上發(fā)揮CAE技術(shù)的優(yōu)勢，進(jìn)行全三維的結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析和優(yōu)化。其中幾何造型、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和強(qiáng)度振動分析采用了Ansys-Bladegen、Ansys-Workbench和Ansys-Classic等商業(yè)軟件，而流場的分析和優(yōu)化以及流固耦合技術(shù)則采用了CFX及其子模塊Turbosystem。通過對級組進(jìn)行結(jié)構(gòu)和氣動的分析和優(yōu)化，結(jié)合已有葉型庫和行業(yè)內(nèi)的強(qiáng)度、振動和安全性的評價準(zhǔn)則，綜合判斷級組的安全性能。圖1為以低壓級組葉片為對象的開發(fā)體系具體流程圖。
圖1 低壓級組葉片的開發(fā)體系具體流程圖
以低壓級組葉片為例詳細(xì)介紹企業(yè)仿真技術(shù)的應(yīng)用。圖2和圖3給出了杭州汽輪機(jī)股份有限公司某低壓葉片級組的末級葉片的實(shí)體圖和截面示意圖，圖4給出了各截面的相對位置示意圖。應(yīng)用Bladegen軟件將葉型各截面進(jìn)行參數(shù)化處理，可方便提取出葉片各截面的特性參數(shù)，圖5給出了壓力面吸力面方法擬和后的葉型，圖6給出了各截面厚度沿葉高分布圖，圖7給出了葉型各截面中弧線示意圖，圖8給出了葉片各截面面積沿葉高的分布，圖9給出了葉型各截面幾何進(jìn)口角和出口角沿葉高的分布。根據(jù)這些截面屬性可以很好地把握葉型的強(qiáng)度振動和氣動性能，為之后的葉片改型提供了依據(jù)。
圖2 葉片實(shí)體圖 圖3 葉片截面示意圖 圖4 葉片各截面相對位置示意圖
圖5 葉型表示形式（Bezier 曲線、背�。籗pline 曲線、內(nèi)弧）
圖6 某末級葉片各截面厚沿葉高分布圖 圖7 某末級中弧線走向示意圖
圖8 某末級葉片面積度沿葉高分布圖 圖9 某末級進(jìn)口角出口角沿葉高分布圖
圖10 低壓葉片級組的氣動分析
目前，公司已經(jīng)建立了一個以葉片開發(fā)為中心涵蓋工業(yè)汽輪機(jī)各個部件的企業(yè)型一體化設(shè)計平臺，本平臺不僅能夠用于葉片通流設(shè)計和開發(fā)，還可以應(yīng)用于工業(yè)汽輪機(jī)其他各部件的設(shè)計、分析和開發(fā)中。
仿真體系建設(shè)，還需繼續(xù)努力
在仿真軟件使用過程中，也存在一些困惑難以解決。首先，這類軟件都是通用軟件，針對汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的功能不夠完善，特殊問題很難通過軟件的幫助文件來解決；其次，仿真人員對軟件內(nèi)核的理解較少、很多設(shè)置都是參考教程或其他已有的算例，對功能設(shè)置的原理、運(yùn)行機(jī)制以及設(shè)置的原因不夠了解，導(dǎo)致對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果不能得到100%的信任。
企業(yè)在開展仿真應(yīng)用的過程中，比較重視仿真知識的管理，包括仿真軟件的使用、原理等經(jīng)驗知識的記錄和傳承，在一定的使用和開發(fā)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，計劃建設(shè)完善的仿真流程管理體系并盡量集成各個學(xué)科，從而使各學(xué)科之間的數(shù)據(jù)交換、流通處于同一平臺，從而減小數(shù)據(jù)傳遞過程中出現(xiàn)的誤差和信息缺失。
公司在人員、專業(yè)方面的建設(shè)是比較成功的，但對整個CAE仿真體系的建立還有一定的欠缺，主要有以下方面：首先對仿真數(shù)據(jù)的傳遞、管理工作缺少相關(guān)的經(jīng)驗；其次是對仿真知識雖有積累但沒有完整搭建公司自有的知識傳承體系；第三是計算資源有限，很多大型算例缺乏有效的方法進(jìn)行計算，個人計算機(jī)的配置雖然有所提升但沒有有效的形成聯(lián)合計算平臺。
針對這些方面目前公司還是計劃以充分、有效的利用現(xiàn)有計算資源，建立聯(lián)合計算或云計算平臺為基礎(chǔ)，同時培養(yǎng)專人以加強(qiáng)公司整個CAE仿真流程的管理和數(shù)據(jù)傳遞，并在流程管理的過程中對存在的問題和解決方法進(jìn)行記錄并編寫相應(yīng)的解決手冊，爭取培養(yǎng)出既有深度又有廣度的CAE仿真專家。
后記
本文根據(jù)杭州汽輪機(jī)股份有限公司工業(yè)透平研究院隋永楓先生的采訪內(nèi)容整理而成�？傮w而言，大部分的企業(yè)側(cè)重仿真技術(shù)的應(yīng)用，對仿真體系建設(shè)有一定認(rèn)識，也正在努力建設(shè)一個完整的體系，但體系的建設(shè)涉及到仿真數(shù)據(jù)管理、仿真流程管理、多學(xué)科集成、仿真模板建設(shè)、仿真知識管理、仿真云計算平臺、仿真軟硬件資源管理等諸多方面，建設(shè)過程毋庸置疑是艱難的。
中國企業(yè)從引進(jìn)仿真技術(shù)也已經(jīng)獲得了大量的技術(shù)積淀，具備了一定的仿真能力，相信隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，越來越多的企業(yè)會認(rèn)識到仿真體系的重要性。
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本文標(biāo)題：“革命”尚未成功，企業(yè)還需努力
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