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水轮发电机负荷机架结构静力学有限元分析 |
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。
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60mm，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/Mechanica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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