基于NX+NASTRAN的余熱發電機座模態分析

周衛元

（1.浙江工業大學機械工程學院，浙江 杭州 310014；2.浙江電大蕭山學院，浙江 杭州 311201）

余熱發電機機座由多個零部件組裝而成，其固有頻率的計算非常困難，以前只能憑經驗設計，制造完成以后再進行振動試驗，有的甚至是在安裝運行一段時間以后，才發現定子機座存在嚴重振動。

通過基于NX+Nastran有限元法分析，在設計時就能搞清楚機座結構在易受影響的頻率范圍內的各階模態特性，預測機座結構在某頻段內在外部或內部各種振源作用下產生的實際振動響應。

本文對某12MW的余熱發電機機座進行有限元分析，驗證機座的振動是否在設計允許范圍之內。

1 機座有限元模型的建立

1.1 機座幾何模型建立

根據余熱發電機機座的二維圖紙，使用UG NX 6建立機座的三維模型，如圖1所示。

圖1 發電機機座實體模型圖

為了簡化計算，對發電機座實體模型進行簡化，略去了對于機座強度影響不大的通氣孔、承受載荷并不關鍵的安裝用吊環等功能件和非承載件；簡化了連接部位的過渡形式，使構建表面光滑；對孔、臺階、凹槽、翻邊等結構，在截面特性等效的基礎上盡量簡化；忽略對截面特性影響不大的特征。

1.2 定義材料屬性

在建立機座有限元模型時，所要定義的材料屬性有材料的彈性模量E、泊松比γ，材料密度ρ等。機座材料選用Q235，力學性能參數為：密度7.85×103kg／m3，彈性模量 2.06×1011Pa，泊松比 0.3，熱膨脹系數1.20×10-5℃，屈服強度2.35×108N／m2，抗拉強度4.2×108N／m2。

1.3 單元類型

對于發電機座，根據其幾何形狀特征和主要力學特性，采用3D和2D相結合的單元類型，對于機座支撐筋、下邊框、吊攀采用單元大小為30 mm的六面體實體單元進行網格劃分；對于機座底板采用單元大小為30 mm的四面體實體單元進行網格劃分；由于機座的其他結構采用鋼板焊接而成，故采用單元大小為30 mm的四邊形2D板殼單元進行網格劃分。

1.4 邊界條件

載荷邊界條件：發電機機座承受的載荷比較復雜，包括機座自重53 400 N、定子沖片重量151 000 N、定子沖片沿定子軸向的張力1 500 000 N、發電機意外短路扭矩390 000 kg.cm，以及轉子對定子的電磁力以及機座螺栓預緊力等。

約束邊界條件：發電機機座安裝在底座上，與支座撐板處接觸，底座用地腳螺栓固定。

發電機座有限元模型如圖2所示。

圖2 發電機機座的有限元模型

2 機座的模態分析

模態分析主要用來確定設計中的結構或機器部件的振動特性(固有頻率和振型)，在結構設計中，是分析結構承受動態載荷的重要參數，同時也可以進行更為詳細的動力學分析。

2.1 模態分析結果

發電機座8階振型如圖3、4、5、6所示。

圖3 發電機機座1、2階振型圖

圖4 發電機機座3、4階振型圖

圖5 發電機機座5、6階振型圖

圖6 發電機機座7、8階振型圖

發電機機座模態分析前八階頻率和部位見表1。

表1 發電機機座模態分析前八階頻率和部位

2.2 模態分析結論

根據分析發電機座前八階振型圖可知：

第1、2、7階是主鋼結構的軸向振動，由于在這個方向受定子沖片的制約，運行時不會出現這種情況；第3～6階為外殼的振動情況，范圍是129 Hz～131 Hz，與100 Hz(機組的2倍頻率)相比距離不大，第8階是我們最關心的情況，這是主鋼結構的橫向振動，因為它的振動方向與交變的磁拉力方向相同，我們必需要避開這個方向的共振，它的數值也遠在100 Hz的10%范圍之外，所以不會產生較大的振動。

3 結束語

針對某12MW余熱發電機機座的振動問題，首先建立了該發電機機座的理論模型與有限元模型，對該機座進行模態分析，分析結果表明，該余熱發電機座的固有頻率遠離兩倍工頻，不會產生較大振動，滿足設計要求。

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