基于ANSYS的圓筒閥剛強度及屈曲分析與研究

2013-05-19 王燕哈爾濱大電機研究所

　　以某一電站圓筒閥作為計算算例，分別用有限元法和解析法對其進行剛強度及屈曲分析計算，并對如何選取單元類型，如何加邊界條件進行了探討分析，得出具有參考價值的結論。

1、前言

　　圓筒閥位于水輪機固定導葉和活動導葉之間，可沿水輪機軸線方向上下移動。對于無法布置傳統進水閥的大型調峰調頻或多泥沙的水電站，采用圓筒閥結構可以在停機過程中有效地保護導水機構和減少電站的漏水損失。目前我國已有大潮山、漫灣、小灣、光照等水電站采用了圓筒閥結構。性能和作用優越的圓筒閥，在水電站設計選型中有著廣闊的發展前景。由于圓筒閥設置在頂蓋與座環上環形成的空腔內，工作時又要上下移動，所以保證圓筒閥的剛強度和穩定性成為設計過程中的一個突出問題。

　　本文以某電站圓筒閥作為算例，首先進行了筒閥剛強度計算分析，其次從對邊界條件選取、單元選擇、載荷施加方法等方面著手，提出了筒閥屈曲分析的有限元法和解析計算方法。

2、基本計算參數

　　筒閥中心半徑：Rm=2575mm

　　筒閥壁厚：δe=100mm

　　筒閥高度：L=1310mm

　　筒閥外徑：D0=5250mm

　　最大靜水頭壓力：P1=0.726MPa

　　升壓水頭壓力：P2=0.978MPa

　　筒閥推拉桿個數：6個

3、有限元法

3.1、圓筒閥剛強度分析

　　進行圓筒閥剛強度分析，考核應力值大小并找出局部最大應力出現位置。

　　利用圓筒閥的對稱性，切取包含一個推拉桿在內的2π/Z(Z為推拉桿個數)的扇形區域作為計算模型。本次分析采用大型結構分析軟件ANSYS軟件完成，全部采用每個節點具有三個自由度的8節點六面體單元，即SOLID185單元，筒閥的應力計算模型及網格剖分如圖1所示。

圖1 筒閥應力計算模型及網格劃分圖

　　邊界條件：為保證位移協調一致，在切開斷面處采用周期對稱邊界條件，同時在推拉桿的上端活塞處，約束下端面相應節點的三個自由度。當圓筒閥全關閉時，承受0.726MPa的最大靜水壓力，當筒閥動水關閉時，承受0.978MPa外壓力。

　　計算工況：我們主要考慮兩種工況，即最大靜水頭工況和升壓水頭工況。

　　表1給出了兩種工況下的分析計算結果。圖2為升壓水頭工況下筒閥整體的應力分布，圖3為升壓水頭工況下筒閥整體的變形分布。

表1 兩種工況下筒閥計算結果

圖2 升壓水頭工況下筒閥整體的應力分布

圖3 升壓水頭工況下筒閥整體的變形分布

　　從計算結果可看出，兩種工況下筒閥最大局部應力分別為27.86MPa和20.68MPa，均出現在推拉桿與閥體接觸面上。

3.2、圓筒閥屈曲分析

　　屈曲分析是一種用于確定結構開始變得不穩定時的臨界載荷和屈曲結構發生屈曲響應時的模態形狀的技術。圓柱形薄殼在均勻外壓作用下，壁內應力變為壓應力，則當外壓達到臨界值時，薄殼的圓形平衡就變為不穩定，會突然變成長圓形。由屈曲導致結構的不穩定，對于結構的設計來說是致命的，因為通常在結構強度還遠沒達到極限時就發生了屈曲。所以對圓筒閥進行屈曲分析是非常必要的。

　　屈曲問題的有限元分析方法大致有兩類：一類是通過特征值分析計算屈曲載荷，根據是否考慮非線性因素對屈曲載荷的影響。這類方法又細分為線性屈曲和非線性屈曲分析。另一類是利用結合Newton-Raphson迭代的弧長法來追蹤確定加載方向，追蹤失穩路徑的增量非線性分析方法能有效的分析非線性屈曲和失穩問題。本文只針對第一種方法中的線性屈曲分析進行討論，這種方法通過提取使線性系統剛度矩陣奇異的特征值來獲得結構的臨界失穩載荷及失穩模態。

　　進行筒閥的屈曲分析計算時，取整個閥體作為計算模型。對單元和邊界條件的選取分別有如下幾種方案。

　　單元選取：

　　(1)分析時采用每個節點具有三個自由度的8節點六面體單元，即SOLID185單元。

　　(2)采用每個節點具有三個自由度的20節點六面體單元，即SOLID186單元。

　　通過多個算例對比分析得知，采用不同的單元類型，其計算結果也不相同，而且單元長度的大小對計算結果有一定的影響。一般情況下，單元網格剖分的越小，其計算結果越接近于GBl50)1998的結果，所以建議采用SOLID186單元。圖4為有限元分析模型。