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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
LV Kai, SHU Wei- lin, WANG Gong-yi, YU De-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
[1]
重点发展方向。 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。
1 Python 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]
3 Python 脚本功能及界面介绍
3.1 Python 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。通过搜索指
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
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