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2013-08-07 by:廣州Ansys應用推廣中心 來源:仿真在線
ANSYS對水電站廠房壩段進行抗震分析
我國水能資源大部分分布在西南、西北地區(qū),而我國很多地震區(qū)也分布在這里,隨著我國水利水電事業(yè)的發(fā)展,很多水利水電工程難以避開地震帶,所以進行抗震分析顯得越來越重要。按照傳統(tǒng)的設計規(guī)范,在地震區(qū)修建水利水電工程時,按擬靜力法計算地震應力,然而遭受震害的實例表明,這種計算方法所得的應力值一般較小。因此,為了比較切合實際地反映地震應力,需要采用有限元法進行動力計算。另外,河床式廠房壩段由上游擋水邊墩墻、流道、下游擋水邊墩墻、排沙洞、主廠房上部結構等組成,是由多個孔洞組成的復雜三維孔洞結構。作為擋水建筑物,要承受上、下游水平作用力,使河床式廠房的應力分布較其他形式的廠房更加復雜,而軸流式機組的受力方式有其自身特點。
1、 計算原理
將廠房壩段離散為數(shù)值模型,按連續(xù)介質(zhì)建立動力平衡方程
式中:[M],[c],[k]分別為質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣;
為加速度、速度、位移矢量。采用反應譜方法求解此方程,這種方法先求解無阻尼自由振動的方程,獲得廠房壩段的自振頻率與振型,通過模態(tài)分析與反應譜分析,求得廠房壩段的動力響應。
2、 ANSYS軟件簡介
ANSYS軟件是美國ANSYS公司的產(chǎn)品,是美國機械工程師協(xié)會(ASME)、美國核安全局(NQA)等近20種專業(yè)技術協(xié)會認證的標準分析軟件。該軟件可廣泛應用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學研究領域。
ANSYS軟件基于MOTIF的圖形用戶界面,智能化菜單引導、幫助等,為用戶提供了強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具,直接建模與實體建模相結合,可對各種物理場量進行分析。結構分析中可進行線性、非線性結構靜力分析,結構動力分析(包括模態(tài)、諧波響應、瞬態(tài)動力響應、譜、隨機振動等分析),幾何、材料、邊界和單元非線性分析,斷裂力學分析,復合材料分析,疲勞及壽命估算分析等。前、后處理及求解階段緊密結合,可以進行計算結果的彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、變形顯示及各種動畫顯示等。
3、 某工程簡介
以某工程為例進行抗震計算分析,某水電站工程以發(fā)電為主,并兼顧少量灌溉、供水等綜合利用要求。樞紐主要由河床式電站廠房、泄洪閘、右岸均質(zhì)土壩、泵站及開關站等建筑物組成。該水電站工程廠房壩段由上游擋水墻、進水口、閘門、流道、蝸殼、廠房上部結構、廠房下部結構、下游擋水墻等組成,是由多個孔洞組成的三維孔洞結構,廠房結構如圖1所示。
本電站主要有如下特點:
(1)地基為粘土巖,并夾有透鏡體;
(2)發(fā)電機層樓板跨度大,荷載大;
(3)水輪機層以下有排砂洞、排水廊道、尾水管等相互交錯使下部混凝土大體積結構復雜;(4)廠房跨度大,吊車荷載大。
4、 計算模型建立
廠房整體三維有限元計算取一個機組段,廠房上、下游基礎均取45m的計算范圍,地基深度選取60m的計算范圍。整體三維有限元計算網(wǎng)格如圖2所示。其中大部分結構用四面體單元模擬,發(fā)電機層樓板、副廠房樓板用殼單元模擬,另外,還用到了桿單元和附加質(zhì)量單元。整體坐標系的坐標原點在機組中心線上高程為1856.25m;X軸與水流方向垂直,指向右岸;Y軸鉛直向上;Z軸指向水流上游方向?；A部分約束為:底部為三向約束,上下游面、左右側面施加相應法向約束。計算時按水庫正常蓄水位進行,靜荷載包括自 重、設備重、內(nèi)水壓力、外水壓力、浪壓力、泥沙壓力,動荷載是設備動載。地震作用時,考慮庫水的影響,采用水體附加質(zhì)量單元進行模擬,按規(guī)范規(guī)定的標準反應譜進行線彈性有限元振型疊加反應譜分析。
5、 諧響應分析、模態(tài)計算和反應譜分析
廠房壩段,對設備動載采用full法進行諧響應分析。
機電設備荷載:
(1)不平衡磁拉力
轉(zhuǎn)子半數(shù)磁極短路時單邊磁拉力P=2536kN。
(2)制安誤差產(chǎn)生的偏心力
上述動荷載沿圓周的作用形式按正弦曲線的形式施加,頻率與機組轉(zhuǎn)頻相同,額定轉(zhuǎn)速為71.4r/min。機電設備產(chǎn)生的荷載如表1。
作用于下機架基礎上的垂直動荷載(kN) 66800作用于定子基礎上的水平動載徑向力(kN)92.7作用于定子基礎上的扭矩(N•m) 11792 模態(tài)計算采用Block Lanczos法,求解前5個階特征頻率(或周期)及相應的5階模態(tài)。軟件運行具體過程:①模態(tài)計算求解前5階振型;②模態(tài)求解計算完成后進行模態(tài)擴展。
反應譜分析在模態(tài)計算之后,在模態(tài)計算的基礎上進行地震反應譜分析。地震設計烈度為7度,水平向設計地震加速度代表值ah=0.10g,豎向設計地震加速度代表值取水平向的2/3,即av=0.067g。設計反應譜按《水工建筑物抗震設計規(guī)范DL5073-2000》中4.3.3采用,設計反應譜最大值的代表值βmax=2.25,最小的不應小于最大值的代表值20%,本水電站場地類別為Ⅰ類,相應特征周期Tg=0.20s,當基本自震周期大于1.0s時,特征周期宜延長0.05s。計算時,只考慮水平向的地震。
電站廠房壩段在正常蓄水位時的反應譜分析計算過程中的前5階振型的頻率以及反應譜譜值如表2所示。由計算結果可以看出振型頻率分布非常密集。
軟件可根據(jù)反應譜表進行反應譜分析,各階振型的地震作用效應按平方和方根(SRSS)法組合。
6、 共振校核
水電站廠房壩段的振動,除建于地震區(qū)要承受地震荷載而引起的振動外,還有機電設備的振動。機組振動的原因復雜,影響因素很多。引起機組振動的原因主要有機械和電磁等兩個方面。下面對各種振源進行定性和某些定量分析,給出了一些主要激振荷載的頻率,并以此作為結構共振校核的依據(jù)。將發(fā)電廠房內(nèi)結構的兩類10種振源頻率歸納成表3。
《水電站廠房設計規(guī)范》(SL266-2001)規(guī)定:“機墩自振頻率與強迫振動頻率之差和自振頻率之比值應大于20%~30%以防共振?！奔捶舷率綍r,可以避免共振發(fā)生
式中,f自、f激分別為機墩組合結構自振頻率和激振荷載頻率。
由于廠房結構復雜,剛度分布不均勻,造成結構自振特性非常復雜。由前面計算出的結構自振頻率結果可知,廠房結構的自振頻率分布很密集,相鄰各階頻率之間差別不大。對整體結構進行共振校核時,由前面的分析可知,有相當一部分激振荷載頻率與機組達到的轉(zhuǎn)速有關,因此,根據(jù)水電站的結構特點選擇振源主頻與整體結構摸態(tài)的前5階自振頻率進行共振校核,見表4。
由表4可知,廠房壩段與機械原因引起激振(f=3.25Hz)和電氣原因引起的激振(f=2.38Hz)可能發(fā)生共振。
避免水電站廠房結構自振與外來激振干擾力強迫振動之間產(chǎn)生共振,是一個頗為復雜的問題,它涉及到機電設備的設計制造、安裝工藝水平、結構的設計、施工質(zhì)量以及電廠的運行方式等多方面應達到要求,需要根據(jù)可能產(chǎn)生共振的不同激振力,分別采取防止共振的措施。根據(jù)上述對水電站廠房結構共振校核中出現(xiàn)的問題,參照國內(nèi)外一些電站在消除振動方面的經(jīng)驗,對水電站廠房防止共振和避免出現(xiàn)不允許的振動,初步提出以下幾點建議:
(1)合理設計機械部分,安裝細致到位,日常運行中需做好發(fā)電機的動平衡。
(2)注意機組的運行狀況,加強機組的運行管理,盡量避免在某些可能產(chǎn)生強烈振動的負荷區(qū)運行。
(3)根據(jù)廠房的特點,適當改善廠房結構,使得產(chǎn)生共振的可能性進一步降低。
7、 應力計算結果
廠房壩段應力計算結果包括各節(jié)點、單元的各類作用效應,可列表顯示,也可繪圖顯示,還可呈梯度、矢量、變形和動畫顯示等。
靜荷載、動荷載和水平順水流方向地震作用效應的組合的應力計算結果,主廠房柱子Y向拉應力最大值為9.2MPa,最大壓應力為6.5MPa,其它方向應力較小;發(fā)電機層樓板為純板結構,X向最大拉應力為9.8MPa,最大壓應力為8.0MPa,Z向最大拉應力為8.3MPa,最大壓應力為8.4MPa,由于采用殼單元,所以無Y向應力;蝸殼X向拉應力最大值為2.1MPa,最大壓應力為0.8MPa。其它部位的應力都比較小,由計算可知,該廠房壩段的應力分布符合一般規(guī)律,滿足設計要求。
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