ANSYS在大型水輪機(jī)圓筒閥屈曲分析方面的應(yīng)用

1 前言

水輪機(jī)圓筒閥是法國(guó)Neyrpic(現(xiàn)ASLSTOM)公司于1947年提出的專利,它是一個(gè)位于水輪機(jī)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪或?qū)~與座環(huán)之間的可垂直移動(dòng)的薄壁圓筒。機(jī)組停機(jī)時(shí),該圓筒被移到導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的位置,切開水流,起到截流閥的作用。機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),圓筒藏于專門的腔中。

水輪機(jī)應(yīng)用圓筒閥可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蝶閥或球閥,因而可以取消蝶閥室,縮小電站廠房寬度,減少吊車跨距等而降低電站投資。圓筒閥在水輪機(jī)運(yùn)行時(shí),沒有水力損失,提高了電站的效率。

鑒于圓筒閥上述優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越多的電站采用了圓筒閥,尤其是近年來(lái),我國(guó)大型水電機(jī)組采用圓筒閥的結(jié)構(gòu)越來(lái)越多,如光照電站(哈電生產(chǎn)),小灣電站(VOITH SIEMENS生產(chǎn)),糯扎渡電站(哈電生產(chǎn)),長(zhǎng)河壩電站(哈電生產(chǎn))等等。

圓筒閥在機(jī)組停機(jī)時(shí),主要承受外界的水壓力,因此要求圓筒閥不但具有足夠的強(qiáng)度,還應(yīng)具有一定的穩(wěn)定性,也就是說:對(duì)圓筒閥除了進(jìn)行靜力分析之外,還應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性的屈曲分析。

本文根據(jù)某電站圓筒閥的結(jié)構(gòu)尺寸,運(yùn)用ANSYS軟件,對(duì)圓筒閥進(jìn)行了非線性屈曲分析,并經(jīng)有限元計(jì)算結(jié)果與GB150-1998經(jīng)典計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果表明:ANSYS軟件計(jì)算圓筒閥的屈曲分析可以滿足工程需要。

2 屈曲分析

在結(jié)構(gòu)的屈曲分析中,常用分叉來(lái)描述。分叉點(diǎn)有代表結(jié)構(gòu)兩個(gè)平衡路徑的交點(diǎn),表明屈曲失穩(wěn)的萌生位置,如圖1所示。

實(shí)際結(jié)構(gòu)的另一個(gè)失穩(wěn)位置表現(xiàn)為一個(gè)平衡位置快速通過,跳躍到另一個(gè)平衡位置,也稱為后屈曲,如圖2所示。除此之外,結(jié)構(gòu)在局部高壓力作用下的起皺和表面重疊也是一種局部失穩(wěn)形式。

對(duì)屈曲失穩(wěn)問題的分析大致有兩大類:一類是通過特征值分析計(jì)算屈曲載荷,根據(jù)是
否考慮非線性因素對(duì)屈曲載荷的影響,這類方法又細(xì)分成線性屈曲和非線性屈曲分析。

線性屈曲分析的特點(diǎn)是:忽略了各種非線性因素和初始缺陷對(duì)屈曲失穩(wěn)載荷的影響,對(duì)屈曲問題大大簡(jiǎn)化,從而提高了屈曲失穩(wěn)分析的計(jì)算效率;由于沒有考慮非線性和初始缺陷的影響,得出的失穩(wěn)載荷可能與實(shí)際相差較大。從特性值角度研究失穩(wěn),只能獲得描述結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)各個(gè)相對(duì)的位移變化大小,即失穩(wěn)模態(tài)。無(wú)法給出位移的絕對(duì)值。

非線性屈曲分析的特點(diǎn)是:考慮以往加載歷史的影響;考慮非線性載荷,包括材料非線性、幾何非線性等因素;考慮初始缺陷;中等非線性程度的屈曲失穩(wěn)問題,可給出足夠準(zhǔn)確的失穩(wěn)載荷;但是,對(duì)呈高度非線性的屈曲失穩(wěn)問題,按非線性屈曲分析,結(jié)果的精度會(huì)受到較大的影響。

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圖1.平衡路徑的分叉點(diǎn)

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圖2.結(jié)構(gòu)的后屈曲分析

3 分析實(shí)例

3.1 基本參數(shù)

圓筒閥外徑:D1=8390mm;圓筒閥壁厚:t=154mm;

圓筒閥高度:H=1750mm

3.2 經(jīng)典計(jì)算

根據(jù)ASME規(guī)范和GB150-1998鋼制壓力容器規(guī)范計(jì)算,該圓筒閥的中心半徑R=4118mm
;高度與外徑的比為:ψ= H/D0=0.209 ;直徑與厚度的比為:ξ=D0/t=54.48 ≥20 ;根據(jù)上述計(jì)算值以及GB150-1998,通過插值可以求出系數(shù)A,A=0.022,恰好落在設(shè)計(jì)溫度下材料的右方,查GB150-1998中相應(yīng)圖的系數(shù)B值,B=180MPa;因此,許用外壓力為:

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經(jīng)經(jīng)典計(jì)算得出:上述圓筒閥的最大許用外壓力為3.30MPa。

3.3 ANSYS有限元分析計(jì)算

選取一個(gè)完整的圓筒閥作為分析計(jì)算模型,如圖3所示。采用ANSYS軟件中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度的20節(jié)點(diǎn)六面體單元,即SOLID186單元,共剖分單元;節(jié)點(diǎn),有限元網(wǎng)格圖如圖4所示。在圓筒閥的外側(cè)承受1MPa的壓力。

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圖3.計(jì)算模型            圖4.有限元網(wǎng)格剖分

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圖5.圓筒閥的屈曲分析模態(tài)

有限元分析得出:該圓筒閥承受的最大外壓力為 3.11MPa,圖5為該圓筒閥的屈曲分析模態(tài)。

4 結(jié)論

運(yùn)用 ANSYS軟件可以有效地對(duì)圓筒閥進(jìn)行穩(wěn)定性屈曲分析,而且計(jì)算相對(duì)誤差在工程允許的范圍之內(nèi)。