SolidWorks Simulation在水輪機轉輪模態分析中的應用

撰文/河北工程大學 水電學院 范江峰 孫中偉 李丙堯

SolidWorks Simulation在水輪機轉輪模態分析中的應用

撰文/河北工程大學 水電學院 范江峰 孫中偉 李丙堯

SolidWorks Simulation作為一款強大的有限元分析軟件，其便捷性與易用性已得到公認。本文利用SolidWorks Simulation對某模型水輪機的轉輪分別進行了零件狀態下的干模態分析，并試算轉輪與水體裝配體狀態下的濕模態分析。分析證明SolidWorks Simulation可以方便、快速的進行零件相關的設置和分析，計算結果可以為轉輪的優化設計提供理論依據，但在濕模態分析中還存在不足。

一、引言

在水輪發電機運行時，由水力因素，機械因素和電磁因素引起的各種振動中，對機組運行影響最大的是振動頻率與水輪機固有頻率接近的振動。在該振動頻率下，往往引起機組的共振，從而導致機組部件金屬和焊縫疲勞破壞區的形成和擴大，從而產生裂紋甚至斷裂而導致部件的報廢。因此，確定水輪機的固有頻率，并使機組運行避開這個振動區域對機組的安全運行有重大的意義。

SolidWorks Simulation是由COSMOSWorks軟件發展而來的基于有限元分析技術的設計分析模塊。COSMOSWorks軟件是由SRAC公司與SolidWorks公司合作開發的插入式分析軟件，可以與SolidWorks的CAD系統直接對接。軟件提供了豐富的機械有限元分析功能，包括靜應力分析、熱力、頻率、屈服和跌落測試等。軟件界面十分友好，使分析人員可以方便快捷的對各種機械進行有限元分析。

本文通對利用SolidWorks Simulation對某模型水輪機轉輪進行模態分析，得出使用SolidWorks Simulation進行轉輪干模態分析的方法以及在進行濕模態分析時上輩子在的的不足。

二、模態分析前處理

在SolidWorks中建立轉輪模型（圖1），轉輪直徑6.9m，葉片數17片，由于在實驗中存在頻率分析后出現葉片、轉輪上冠以及下環分離的情況，在分析前將這三部分進行組合運算，使其成為整體。設置轉輪材料為0Cr13Ni5Mo，材料基本屬性為：彈性模量2.1×1011N/m2，中泊松比0.3，中抗剪模量3.189×108N/m2，質量密度7850kg/m3。在SolidWorks Simulation中新建算例，選擇新算例，選擇頻率。

由于水輪機轉輪上冠與主軸是通過法蘭相連接，所以將此處設置為夾具，選擇固定幾何體。SolidWorks Simulation中提供了方便的四面體網格劃分方式。四面體單元由于縱橫比小，相比于六面體單元，往往需要劃分更多的網格才能描述同一個模型。但由于SolidWorks Simulation的內置算法為FFE（Fast finite Element）快速有限元算法，因此在網格數比較多的情況下，SolidWorks Simulation依然保持了較快的運算速度。本例中利用網格工具自動生成網格，并對葉片、上冠、下環部分應用網格控制實現局部網格加密（圖2）。在網格劃分過程中偶爾會出現網格劃分失敗的情況，通過調整網格尺寸，修改網格控制選項以及雅可比點數等，一般可以解決劃分網格失敗的問題。

圖1　在SolidWorks中建立的轉輪模型

圖2　加密后生成的網格

應用網格細節可以清楚的看到生成網格的詳細信息，共生成118734個節點，70379個網格。在有限元分析中網格的質量與分析結果的精度有著直接的聯系，因此劃分網格時一定要確定網格控制的策略，保證生成網格的質量。

三、轉輪的干模態分析

干模態分析是指在空氣環境下，對分析對象進行模態分析。運行次算例后，得出轉輪在空氣中振動的前五階模態。

由轉輪在空氣中的前五階模態圖可以看出，位移最大的部分總出現在轉輪下環處，這里在運行狀態下還要承受水對轉輪沖擊所帶來的載荷，分析結果與實際一致，頻率值在可接受的范圍內。

圖3　第一階模態（干）

圖4　第二階模態（干）

圖5　第三階模態（干）

圖6　第四階模態（干）

圖7　第五階模態（干）

圖8　列舉頻率（干）

四、轉輪與水體裝配體的濕模態分析

由于水輪機轉輪是運行在水體中，周圍水體的存在必然影響轉輪的振動頻率，因此進行水環境下的濕模態分析是十分必要的。SolidWorks Simulation中并未提供單獨的濕模態分析選項。鑒于濕模態分析是水體與轉輪之間的振動頻率分析，本文利用裝配體頻率分析進行了如下試算。

在SolidWorks中建立一個圓柱型水體，插入轉輪零件進行組合刪減運算，得到包含轉輪型空腔的水體零件，在SolidWorks環境下可以方便的更改圓柱水體的半徑及高度參數。在裝配體模式下將水體與轉輪進行裝配，得到被水體包圍的轉輪。模型如圖9所示，設置水體材料為水。由于SolidWorks Simulation下進行頻率分析要求材料彈性模量不為0，參考魯麗等發表在《西南交通大學學報》中的研究結果《反應堆吊籃在空氣和靜水中的振動特性分析》，取水體的材料彈性模量為轉輪材料的1%，即2.1×109N/m2，泊松比取值相對較小，取為0.3×10-4，同樣設置轉輪上冠與轉軸法蘭相連處為固定約束，分別對轉輪與水體應用網格控制進行網格劃分，轉輪葉片處網格應適當加密。

圖9　水體與轉輪的裝配體模型

表 不同尺寸水體裝配體對應頻率表

設置不同的水體尺寸，得到不同水體尺寸下裝配體的固有頻率如表所示。結果顯示這種方法下進行的濕模態分析頻率，由于水體尺寸的不同，裝配體的固有頻率也不同，參考梁權偉等發表在《水力發電學報》中的研究結果《考慮流固耦合的混流式水輪機轉輪模態分析》給出的數據，可知干濕模態下的頻率影響系數分辨值介于0.671～0.904間相差較大。原因是所得的固有頻率不是在水體阻礙作用下轉輪的固有頻率，而是水體與轉輪所組成裝配體的固有頻率。且由結果看出不同水體形狀會產生不同的固有頻率。

五、結論與展望

（1）通過在SolidWorks Simulation中進行水輪機轉輪的干模態分析，可以發現Simulation插件可以快捷方便的進行不考慮外部環境的頻率分析，在進行干模態分析時利用Simulation可以提高工作效率。

（2）由于Simulation中沒有濕模態分析的相關單元，其中的外部載荷選項中提供的流動效應是針對流水載荷，并不能進行靜水下的頻率分析。本文提出了一種通過構建水體裝配體模型的方法，結果證明同樣不能有效模擬靜水環境下轉輪的振動情況。

（3）Simulation作為一款方便的有限元分析工具，其簡便性深受好評，但由于軟件功能相對簡單，在今后的發展中依然要不斷更新升級自身的功能，才能不斷在工業制造中發展壯大