試論水輪發(fā)電機(jī)上機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中FEM的應(yīng)用

摘 要：FEM（有限單元法）作為一種高效、常用的求解連續(xù)體力學(xué)問題的計(jì)算方法，由于其在進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析與數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)所展現(xiàn)的準(zhǔn)確性及有效性，所以也被廣泛作為機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要參考依據(jù)。通過FEM的計(jì)算分析，為水輪發(fā)電機(jī)上機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所存在的缺陷及不足提供理論依據(jù)，對(duì)采取有效方法對(duì)上機(jī)架的結(jié)構(gòu)予以改進(jìn)和優(yōu)化具有重要意義。

關(guān)鍵詞：有限單元法；上機(jī)架；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 FEM概述

FEM是有限單元法的英文名稱Finite Element Method的縮寫形式，是一種目前應(yīng)用較為普遍的偏微分方程計(jì)算分析方法，其在實(shí)際應(yīng)用中也常常被稱作有限元分析（FEA）。FEM在數(shù)據(jù)計(jì)算與分析中具有較高的應(yīng)用效率，該方法能夠通過對(duì)連續(xù)體的離散化處理，將其轉(zhuǎn)化為一定數(shù)量的有限單位集合，從而通過計(jì)算更為準(zhǔn)確的獲得針對(duì)連續(xù)體力學(xué)問題的解答。FEM的發(fā)展基礎(chǔ)是基于在其之前便早已出現(xiàn)的變分原理，這也決定了FEM在以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各類物理場(chǎng)中有著較為普遍的應(yīng)用。由于一些學(xué)者利用伽遼金法或最小二乘法等計(jì)算方法也獲得了有限元方程，因此，F(xiàn)EM也能夠更容易的在其他各類微分方程所描述的物理場(chǎng)中得到良好運(yùn)用，這也較大程度地降低了對(duì)FEM應(yīng)用條件的限制。亦如在進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)上機(jī)架結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化中，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助工程仿真技術(shù)并利用FEM所發(fā)揮的效果同樣良好。

2 上機(jī)架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及數(shù)據(jù)分析

2.1 幾何模型的構(gòu)建

幾何模型的建立應(yīng)以上機(jī)架結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確把握為基礎(chǔ)，通常水輪發(fā)電機(jī)上機(jī)架結(jié)構(gòu)均為四點(diǎn)支撐形式，即有四條支臂，從垂直角度來看，呈現(xiàn)出輻射狀對(duì)稱形式，并與中心主體通過焊接結(jié)合成一個(gè)統(tǒng)一整體。以某電站機(jī)組為例，該機(jī)組的上機(jī)架結(jié)構(gòu)材質(zhì)由碳素結(jié)構(gòu)鋼材料構(gòu)成，其上機(jī)架三維模型及相應(yīng)參數(shù)值如圖1及表1所示。

在實(shí)際建模過程中，除一些細(xì)微特征完全與實(shí)際相符外，其他各項(xiàng)特征都是以實(shí)際測(cè)量尺寸為標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，并嚴(yán)格參考設(shè)計(jì)圖紙及其他相關(guān)材料進(jìn)行三維模型制作，以獲得與真實(shí)結(jié)構(gòu)最為接近的模型結(jié)構(gòu)形式與分析結(jié)果。

2.2 有限元模型的構(gòu)建

為建立準(zhǔn)確的有限元模型，在實(shí)際結(jié)構(gòu)分析中進(jìn)一步針對(duì)已創(chuàng)建的三維實(shí)體模型進(jìn)行非線性四面體單位的網(wǎng)格劃分處理，從而構(gòu)成相應(yīng)的獨(dú)立單元和對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，通過大量的有限大小的單元?jiǎng)澐郑槍?duì)新構(gòu)成的有限單元模型展開全面檢查，尋找是否存在扭曲變形單元。例舉電站機(jī)組的上機(jī)架幾何模型及對(duì)應(yīng)的有限元模型如圖2所示。

2.3 相關(guān)邊界條件的確定

對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組而言，其在運(yùn)行與靜止條件下上機(jī)架所承受的軸向荷載力存在較大差異，靜止條件下所承受的軸向荷載主要來自于轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)輪以及軸自身的重量，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，其所承受的軸向荷載加上水流沖擊作用下的軸向水推力增加了上機(jī)架的工作壓力，使得上機(jī)架處于較為惡劣的工況中。基于這一情況下的實(shí)際受力狀況對(duì)其荷載能力進(jìn)行計(jì)算與分析，可獲得水輪發(fā)電機(jī)上機(jī)架結(jié)構(gòu)工作中所需承受的最大荷載數(shù)值，并可對(duì)其他各項(xiàng)參數(shù)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2.4 對(duì)上機(jī)架結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算數(shù)據(jù)的分析

上述電站的上機(jī)架所存在的主要問題為其支承結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了裂縫，通過相應(yīng)計(jì)算可獲取該上機(jī)架結(jié)構(gòu)在實(shí)際工況下的最大等效應(yīng)力值為297MPa，而獲取到該數(shù)值所經(jīng)過計(jì)算的有限單元與實(shí)際上機(jī)架結(jié)構(gòu)中裂縫出現(xiàn)的位置存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，說明該位置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足實(shí)際工況要求，結(jié)合上機(jī)架結(jié)構(gòu)的材料性能及參數(shù)分析，可以發(fā)現(xiàn)在其當(dāng)前性能狀況與受力狀況下的安全系數(shù)相對(duì)較低，僅能夠達(dá)到約75%，由此可見若想實(shí)現(xiàn)上機(jī)架結(jié)構(gòu)的有效優(yōu)化，應(yīng)相應(yīng)的提高上機(jī)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而確保優(yōu)化后的上機(jī)架結(jié)構(gòu)的可靠性，減少裂縫出現(xiàn)的幾率。

3 上機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略

通過FEM對(duì)出現(xiàn)問題的上機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次計(jì)算對(duì)比分析后，確定最終的處理措施及優(yōu)化方法，從對(duì)實(shí)體裂紋部分進(jìn)行更換處理、適當(dāng)加固支撐結(jié)構(gòu)的方向著手，在保證其整體強(qiáng)度與承載能力的同時(shí)達(dá)到改進(jìn)并優(yōu)化的目的。還應(yīng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的空間條件與施工操作的可行性等方面充分考量，在保證正常結(jié)構(gòu)部分的結(jié)構(gòu)特征不發(fā)生較大改變的基礎(chǔ)上，采取在所承受應(yīng)力較高的結(jié)構(gòu)部分如立筋正下方加焊具有一定厚度和寬度的鋼板來進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)性能的加強(qiáng)，并分散上機(jī)架結(jié)構(gòu)在機(jī)組運(yùn)行過程中原本較為集中的高應(yīng)力，從而達(dá)到加強(qiáng)上機(jī)架整體強(qiáng)度的目的。初步改進(jìn)完成后，針對(duì)新的結(jié)構(gòu)體再次進(jìn)行有限單元?jiǎng)澐峙c模型檢查，新構(gòu)建的有限單元結(jié)構(gòu)模型中單元數(shù)量及節(jié)點(diǎn)數(shù)量相較于原結(jié)構(gòu)都有所增加，且檢查中沒有發(fā)現(xiàn)扭曲及變形單元存在。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)得出，改進(jìn)后的上機(jī)架結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力有很大程度的下降，安全系數(shù)得到了一定的提升，結(jié)構(gòu)部位位移也相對(duì)得到控制，應(yīng)力分布更加均勻，機(jī)組的整體運(yùn)行效率得到了進(jìn)一步的提高。

4 結(jié)束語

對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)而言，其上機(jī)架結(jié)構(gòu)的合理性與可靠性在很大程度上影響著機(jī)組的運(yùn)行效率與運(yùn)行質(zhì)量，無論是初期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亦或是運(yùn)行中出現(xiàn)問題時(shí)，結(jié)合FEM這種方法對(duì)上機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算對(duì)比及分析判別，在為上機(jī)架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)化方面提供有效的理論數(shù)值依據(jù)的同時(shí)，也為電站的如期啟動(dòng)運(yùn)行或恢復(fù)正常運(yùn)行贏得寶貴的時(shí)間，更為其后類似的上機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了較為有參考價(jià)值的工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：胡佳琪（1982-），女，工程師，從事水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)管理工作。