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)，對采取有效方法對上機(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中得到良好運(yùn)用，這也較大程度地降低了對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)立單元和對應(yīng)節(jié)點(diǎn)，通過大量的有限大小的單元?jiǎng)澐?，針對新?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，并可對其他各項(xiàng)參數(shù)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2.4 對上機(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對出現(xiàn)問題的上機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次計(jì)算對比分析后，確定最終的處理措施及優(yōu)化方法，從對實(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)對施工現(xiàn)場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這種方法對上機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算對比及分析判別，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)。

參考文獻(xiàn)

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