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基于Python脚本的汽轮机长叶片振动应力

自动分析程序

吕凯、舒伟林、王恭义、余德启

LVKai,SHUWei-lin,WANGGong-yi,YUDe-qi

（上海汽轮机厂有限公司，上海200240）

摘要：基于Python脚本语言对汽轮机长叶片振动应力在ABAQUS中的分析过程进行二次开发,达到一键化的

汽轮机长叶片振动应力自动分析，并展示了初始的参数交互界面。结果表明，所开发的程序能有效解决ABAQUS

计算汽轮机长叶片振动应力中的重复性工作，节省了工程师大量的时间和精力，提高了分析效率。

关键词：Python；ABAQUS；有限元；汽轮机；长叶片

中图分类号：TK262文献标识码：A

0引言

根据2014年国务院颁布的《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》，到2020

年非化石能源占一次能源消费比例应达到15%，天然气比例应占10%以上，煤炭消

费比例应控制在62%以内。电网建设步伐将加快，以增强其对风电、光伏发电及分

布式发电等电源形式的接纳能力。在这种情况下，未来煤电产业技术势必会把节

能降耗、污染物排放控制、灵活性运行以及宽负荷高效运行作为煤电产业技术的

重点发展方向。[1]叶片的安全可靠性直接影响机组的运行安全，灵活性、宽负荷高

效运行对长叶片的振动安全提出了更高的要求。对于长叶片的设计分析开发，有

限元手段（CAE仿真）已成为不可或缺的环节，但繁琐又重复的CAE前处理过程已

成为困扰工程师的一大难题。本文基于Python语言对汽轮机长叶片振动应力分析

的前处理流程进行二次开发，用户仅需输入、改变参数即可进行有限元分析，代

替了使用ABAQUS/CAE前处理过程中的手工操作，节省了工程师大量的时间和精力，

提高了工作效率。

1Python脚本介绍

Python语言属于面向对象的编程语言，编写脚本的过程非常简单。Python以

其优雅的语法、动态类型识别，加上解释性的本质，使它成为一种能在多功能、

多平台上撰写的脚本。编写脚本可以实现各种判断语句、循环语句、数据存储与

处理等，能够实现人工智能控制和自动化处理过程；编写脚本可以进行参数化分

析、优化分析、系统分析、多系列多型号的产品分析等，是产品设计更加合理，

产品研发周期更短；编写脚本还可以开发某一特定功能的模块，具备独立性和可

移植性。ABAQUS/CAE内核脚本采用了Python语言，在Python语言的基础上，又

增加了许多新的对象模型，大致可分为session（视图对象）、mdb（模型对象）和

odb（结果数据对象）三类，通过脚本程序可以方便的执行对ABAQUS对象的各种

操作。

[2]

3Python脚本功能及界面介绍

3.1Python脚本功能

依据对汽轮机长叶片振动应力分析的CAE前处理标准流程的梳理，按流程进

行前处理脚本的开发，Python脚本具体实现模型导入、材料属性设置、边界条件

设置、载荷及分析步设置等功能，具体如下：

模型导入

导入单只叶片与轮槽的有限元网格模型，网格模型以六面体网格为主，以四、

五面体网格连接过渡。

材料属性设置

利用Python建立了INP格式的材料库，用户通过材料名称调用材料参数，并

能够根据需要对材料库进行加密处理。

边界条件设置

设置接触对，包括围带间接触、拉筋间接触，叶根轮槽间接触。通过有哪些信誉好的足球投注网站指

定点所在面，寻找接触对。拉筋及围带通过给定的点寻找接触面，叶根及轮槽通

过建立叶根库来快速寻找接触面。循环对称设置，通过ABAQUS中的正反面之分，

采用将面网格周期旋转，选取反面做循环对称设置，如图1所示。

图1围带部分循环对称设置示意图

分析步与载荷设置

分析步的设置如下：

Step1:施加较小离心力，使各接触对达到平稳接触；

Step2:施加工作转速离心力及气动力；

Step3:频率计算，一般提取前50阶模态频率；

Step4:计算基于模态的叶片振动应力。

载荷设置中，稳态气流力的设置需要将叶身部位的节点找出，并在每个截面

的节点上施加不同的气动载荷，如图2，若进行手动设置，是一项相当繁琐的工作，

还容易出错。通过Python脚本，进行循环有哪些信誉好的足球投注网站叶身表面的单元面，然后通过叶身

表面的单元面得到叶身表面节点，再给叶身表面节点施加气流载荷力，极大地提

升了计算效率。

图2气动载荷施加

3.2参数交互界面

Python脚本的执行需要大量的模型几何参数，采用ABAQUS插件的参数交互方

法界面不够美观且脚本执行较慢，故使用C#语言编制参数交互界面，如图3、4。

图3参数交互界面A

图4参数交互界面B

3.3振动应力分析结果

通过参数交互界面输入参数，点击“运行ABAQUS开始分析”