水輪發電機負荷機架結構靜力學有限元分析

摘 要 介紹東風電機廠計算機中心利用PTC軟件公司Pro/Mechanica中的Structure部分，結合有限元分析法知識，對水輪發電機負荷機架實際工況下的剛度、強度及應力變形進行較詳細的分析，使得負荷機架的設計更加經濟、合理。
 關鍵詞 負荷機架；有限元分析；最大應力；最大變形
　　1引言
　　負荷機架是水輪發電機承受高載荷的關鍵件，其尺寸大、重量重，設計中既要關注它的應力分布、變形情況，又要合理用材，優化設計。東風電機廠利用PTC軟件公司的Pro/Mechanica中的Structure部分，采用P單元劃分網格技術，為負荷機架的靜力學結構設計提供了便捷、準確、科學的計算手段。
　　2有限元計算模型及載荷處理
 該負荷機架主要由機架中心體、上下圓板、8條支臂組成，其立體模型見圖1、圖2。由于其關于中心軸線旋轉對稱，所以取整個負荷機架的八分之一部分模型進行剛度、強度結構靜力學有限元分析，計算出整個負荷機架的變形及應力分布規律。
該機架為鋼板組焊結構，形狀比較規矩，可采用殼單元來求解。為了簡化，取消支撐墊板的支撐板以及所有的油水管路，大力筋上忽略起吊孔，內外合縫板不考慮它們相互間的變形而視為一塊整板。由于是對一個支腿進行分析，為了使計算結果代表整個模型，在模型的切面上要施加約束。
其基本數據如下：
 負荷機架軸向載荷5880kN；
 結構用材：q235，屈服強度σs＝210～240MPa;
 比重γ＝7820kgf／m3;
 彈性模量E＝2.068×10.5MPa;
 波松比v＝0.29
 參考溫度為21.85℃。
　　3主要計算結果
(1)首先對原始結構方案進行了分析計算，圖3為原始結構在承受軸向載荷時的應力分布圖。從圖中可以看出，在墊板1與下翼板結合處的應力值較大，同時大立筋I處的應力值也較大，其最大應力值為147。86MPa.
(2)為了確保負荷機架的安全、可靠，對原始方案進行了改動。在原始結構基礎上將墊板加長60m m，以躲開受力支點，在大立筋應力集中處加一對加強板。由圖4可知，應力值已經降到75.089MPa，更改達到預期目的。