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水轮发电机负荷机架结构静力学有限元分析

作者: 来源: 发布时间:2018/2/11 16:12:47  点击数:1062
摘 要 介绍东风电机厂计算机中心利用ptc软件公司pro/mechanica中的structure部分,结合有限元分析法知识,对水轮发电机负荷机架实际工况下的刚度、强度及应力变形进行较详细的分析,使得负荷机架的设计更加经济、合理。
 关键词 负荷机架;有限元分析;最大应力;最大变形
1引言
负荷机架是水轮发电机承受高载荷的关键件,其尺寸大、重量重,设计中既要关注它的应力分布、变形情况,又要合理用材,优化设计。东风电机厂利用ptc软件公司的pro/mechanica中的structure部分,采用p单元划分网格技术,为负荷机架的静力学结构设计提供了便捷、准确、科学的计算手段。
2有限元计算模型及载荷处理
 该负荷机架主要由机架中心体、上下圆板、8条支臂组成,其立体模型见图1、图2。由于其关于中心轴线旋转对称,所以取整个负荷机架的八分之一部分模型进行刚度、强度结构静力学有限元分析,计算出整个负荷机架的变形及应力分布规律。
该机架为钢板组焊结构,形状比较规矩,可采用壳单元来求解。为了简化,取消支撑垫板的支撑板以及所有的油水管路,大力筋上忽略起吊孔,内外合缝板不考虑它们相互间的变形而视为一块整板。由于是对一个支腿进行分析,为了使计算结果代表整个模型,在模型的切面上要施加约束。
其基本数据如下:
 负荷机架轴向载荷5880kn;
 结构用材:q235,屈服强度σs=210~240mpa;
 比重γ=7820kgf/m3;
 弹性模量e=2.068×10.5mpa;
 波松比v=0.29
 参考温度为21.85℃。
3主要计算结果
 (1)首先对原始结构方案进行了分析计算,图3为原始结构在承受轴向载荷时的应力分布图。从图中可以看出,在垫板1与下翼板结合处的应力值较大,同时大立筋i处的应力值也较大,其最大应力值为147。86mpa.
(2)为了确保负荷机架的安全、可靠,对原始方案进行了改动。在原始结构基础上将垫板加长60m m,以躲开受力支点,在大立筋应力集中处加一对加强板。由图4可知,应力值已经降到75.089mpa,更改达到预期目的。


(3)由改造方案结果可知最大应力值偏小,设计显得太保守。为此,又一次对该负荷机架进行优化分析,使其材料利用率大大提高,做到“好钢用在刀刃上”。图5是优化方案应力分布图。由图可知,其最大应力值提高到80.657mpa,在设计规范之内。下表是几个方案的经济性比较。

(4)图6、7、8是各方案的受力变形分布图,其中以优化方案的变形值最大,为1.3048,小于1.5,但仍在规定范围内。


(5)图9、10、11是各方案大立筋的应力分布图。通过在大立筋上增设一块加强板,解决该处应力偏大的问题,也为优化该负荷机架奠定了基础。
(6)通过各方案的比较,优化方案在强度和刚度上均满足设计要求。在强度上,优于原始方案。同时,优化方案较原始方案节约钢材9.376t,是一个经济、合理的方案。
4结论
采用本文提供的方法可对水轮发电机负荷机架进行刚度、强度分析,所列举的负荷机架已成功运行一年有余。实践证明该方案是可行的,另外也说明采用pro/mechanica软件中的structure部分是能够分析该类大型结构件,其分析结果能够指导机架的结构设计。







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