对复杂的零部件进行有限元分析时没有必要按照实际尺寸一比一建模，可以根据分析目的进行一定程度的简化甚至更改外形，这一过程叫作结构的模化。模化的原则是不影响有限元分析的结果，有利于计算效率的提高。

1）汽轮机叶片及发电机风扇、线圈等的模化

由于汽轮机叶片及发电机风扇等只提供了质量和转动惯量，没有提供相应的刚度数据，因此在建立模型时可以用弹性模量很小的质量单元来替代它们。这些质量单元的选取原则是使轴系在简化前后质量和转动惯量都保持不变。下面以汽轮机叶片的简化原则为例来进行说明。

如果已经知道叶片的质量m及其转动惯量M（除特殊说明外，叶片的质量和转动惯量都分别指同一圈的叶片质量和转动惯量之和，而且转动惯量都是指相对于轴心的转动惯量），以及叶片根部半径r和叶片根部宽度d，就可以将其简化为圆柱环状模型。该圆柱环状模型的宽度等于叶根宽度，位置和叶片根部的位置吻合，质量和转动惯量的分布应尽量接近实际叶片。改变圆柱环的厚度H和密度ρ就能使得圆柱环状模型的质量和转动惯量分别等于m和M。

图6-30　高中压转子

图6-31　低压转子

图6-32　发电机转子

图6-33　低压缸－发电机联轴器

对于叶片根部半径为r、叶片根部宽度为d所在的级，已知了该级叶片的质量m和转动惯量M，要满足等效质量单元的质量和转动惯量都和实际叶片相等，则有

由该式可以解得

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例如，对汽轮机高中压缸第一级，有r=0.463 m，d=0.09 m，m=20.26 kg，M=5.073 kg·m2，依据上式可以得到H=0.0723 m，ρ=993 kg/m3。按照此方法就能够求得各简化轴段的等效质量单元的厚度和密度，进而建立相应的模型。

表6-7至表6-9分别是汽轮机高中压缸轴段、低压缸轴段及发电机轴段等效质量单元厚度和密度的选取表格，为显示清楚表格中各数据并未标注单位，数据单位均为国际制单位。

表6-7　汽轮机高中压缸轴段数据

表6-8　汽轮机低压缸轴段数据

表6-9　发电机轴段数据

说明：表6-9最后一行编号为6的附加物，认为其为实心材料，提供质量和转动惯量，但是只提供很小的刚度，所以采用同密度小杨氏模量模型来替代。表6-7至表6-9所采用的附加质量的杨氏模量都取E=2.1×1010Pa，泊松比都取σ=0.3。

2）倒角、小阶梯轴的模化

各处倒角、小阶梯轴虽然对整个轴系的模态及静挠度影响很小，但会使得网格划分质量下降并使单元数目增加，所以本次建模忽略这些倒角和小阶梯轴。

3）轴承的模化

本次建模采用同刚度同阻尼的弹簧来替代轴承。弹簧一端固定，另一端连接转子，进行模态分析时连接轴心，计算转子静挠度时连接轴承的外表面。

4）联轴器的模化

由于高中压缸和低压缸连接处的联轴器是刚性联轴器，联轴器的刚度很大，因此在分析轴系时采用一体化建模的方式。而低压缸与发电机的联轴器是挠性联轴器，所以本次建模采用实体建模，为考虑该联轴器对轴系带来的影响，按照联轴器的实际结构尺寸建立三维模型。