ANSYS對(duì)水電站廠房壩段進(jìn)行抗震分析

2013-08-07 by:廣州Ansys應(yīng)用推廣中心來源:仿真在線

我國(guó)水能資源大部分分布在西南、西北地區(qū),而我國(guó)很多地震區(qū)也分布在這里,隨著我國(guó)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(jìn)行抗震分析顯得越來越重要。按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范,在地震區(qū)修建水利水電工程時(shí),按擬靜力法計(jì)算地震應(yīng)力,然而遭受震害的實(shí)例表明,這種計(jì)算方法所得的應(yīng)力值一般較小。因此,為了比較切合實(shí)際地反映地震應(yīng)力,需要采用有限元法進(jìn)行動(dòng)力計(jì)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(jié)構(gòu)等組成,是由多個(gè)孔洞組成的復(fù)雜三維孔洞結(jié)構(gòu)。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(yīng)力分布較其他形式的廠房更加復(fù)雜,而軸流式機(jī)組的受力方式有其自身特點(diǎn)。

1、計(jì)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(dòng)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(yīng)譜方法求解此方程,這種方法先求解無阻尼自由振動(dòng)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(yīng)譜分析,求得廠房壩段的動(dòng)力響應(yīng)。

2、 ANSYS軟件簡(jiǎn)介

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司的產(chǎn)品,是美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)、美國(guó)核安全局(NQA)等近20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。該軟件可廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究領(lǐng)域。

ANSYS軟件基于MOTIF的圖形用戶界面,智能化菜單引導(dǎo)、幫助等,為用戶提供了強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具,直接建模與實(shí)體建模相結(jié)合,可對(duì)各種物理場(chǎng)量進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)分析中可進(jìn)行線性、非線性結(jié)構(gòu)靜力分析,結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析(包括模態(tài)、諧波響應(yīng)、瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)、譜、隨機(jī)振動(dòng)等分析),幾何、材料、邊界和單元非線性分析,斷裂力學(xué)分析,復(fù)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(jié)合,可以進(jìn)行計(jì)算結(jié)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(dòng)畫顯示等。

3、某工程簡(jiǎn)介

以某工程為例進(jìn)行抗震計(jì)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(guān)站等建筑物組成。該水電站工程廠房壩段由上游擋水墻、進(jìn)水口、閘門、流道、蝸殼、廠房上部結(jié)構(gòu)、廠房下部結(jié)構(gòu)、下游擋水墻等組成,是由多個(gè)孔洞組成的三維孔洞結(jié)構(gòu),廠房結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ANSYS對(duì)水電站廠房壩段進(jìn)行抗震分析ansys結(jié)果圖圖片3

本電站主要有如下特點(diǎn):

(1)地基為粘土巖,并夾有透鏡體;

(2)發(fā)電機(jī)層樓板跨度大,荷載大;

(3)水輪機(jī)層以下有排砂洞、排水廊道、尾水管等相互交錯(cuò)使下部混凝土大體積結(jié)構(gòu)復(fù)雜;(4)廠房跨度大,吊車荷載大。

4、計(jì)算模型建立

廠房整體三維有限元計(jì)算取一個(gè)機(jī)組段,廠房上、下游基礎(chǔ)均取45m的計(jì)算范圍,地基深度選取60m的計(jì)算范圍。整體三維有限元計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。其中大部分結(jié)構(gòu)用四面體單元模擬,發(fā)電機(jī)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(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)在機(jī)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(chǔ)部分約束為:底部為三向約束,上下游面、左右側(cè)面施加相應(yīng)法向約束。計(jì)算時(shí)按水庫(kù)正常蓄水位進(jìn)行,靜荷載包括自重、設(shè)備重、內(nèi)水壓力、外水壓力、浪壓力、泥沙壓力,動(dòng)荷載是設(shè)備動(dòng)載。地震作用時(shí),考慮庫(kù)水的影響,采用水體附加質(zhì)量單元進(jìn)行模擬,按規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜進(jìn)行線彈性有限元振型疊加反應(yīng)譜分析。

ANSYS對(duì)水電站廠房壩段進(jìn)行抗震分析ansys結(jié)構(gòu)分析圖片4

5、諧響應(yīng)分析、模態(tài)計(jì)算和反應(yīng)譜分析

廠房壩段,對(duì)設(shè)備動(dòng)載采用full法進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

機(jī)電設(shè)備荷載:

(1)不平衡磁拉力

轉(zhuǎn)子半數(shù)磁極短路時(shí)單邊磁拉力P=2536kN。

(2)制安誤差產(chǎn)生的偏心力

上述動(dòng)荷載沿圓周的作用形式按正弦曲線的形式施加,頻率與機(jī)組轉(zhuǎn)頻相同,額定轉(zhuǎn)速為71.4r/min。機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生的荷載如表1。

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作用于下機(jī)架基礎(chǔ)上的垂直動(dòng)荷載(kN) 66800作用于定子基礎(chǔ)上的水平動(dòng)載徑向力(kN)92.7作用于定子基礎(chǔ)上的扭矩(N•m) 11792 模態(tài)計(jì)算采用Block Lanczos法,求解前5個(gè)階特征頻率(或周期)及相應(yīng)的5階模態(tài)。軟件運(yùn)行具體過程:①模態(tài)計(jì)算求解前5階振型;②模態(tài)求解計(jì)算完成后進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展。

反應(yīng)譜分析在模態(tài)計(jì)算之后,在模態(tài)計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析。地震設(shè)計(jì)烈度為7度,水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值ah=0.10g,豎向設(shè)計(jì)地震加速度代表值取水平向的2/3,即av=0.067g。設(shè)計(jì)反應(yīng)譜按《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范DL5073-2000》中4.3.3采用,設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的代表值βmax=2.25,最小的不應(yīng)小于最大值的代表值20%,本水電站場(chǎng)地類別為Ⅰ類,相應(yīng)特征周期Tg=0.20s,當(dāng)基本自震周期大于1.0s時(shí),特征周期宜延長(zhǎng)0.05s。計(jì)算時(shí),只考慮水平向的地震。

電站廠房壩段在正常蓄水位時(shí)的反應(yīng)譜分析計(jì)算過程中的前5階振型的頻率以及反應(yīng)譜譜值如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出振型頻率分布非常密集。

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軟件可根據(jù)反應(yīng)譜表進(jìn)行反應(yīng)譜分析,各階振型的地震作用效應(yīng)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(dòng),除建于地震區(qū)要承受地震荷載而引起的振動(dòng)外,還有機(jī)電設(shè)備的振動(dòng)。機(jī)組振動(dòng)的原因復(fù)雜,影響因素很多。引起機(jī)組振動(dòng)的原因主要有機(jī)械和電磁等兩個(gè)方面。下面對(duì)各種振源進(jìn)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(jié)構(gòu)共振校核的依據(jù)。將發(fā)電廠房?jī)?nèi)結(jié)構(gòu)的兩類10種振源頻率歸納成表3。

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《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL266-2001)規(guī)定:“機(jī)墩自振頻率與強(qiáng)迫振動(dòng)頻率之差和自振頻率之比值應(yīng)大于20%~30%以防共振。”即符合下式時(shí),可以避免共振發(fā)生

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式中,f自、f激分別為機(jī)墩組合結(jié)構(gòu)自振頻率和激振荷載頻率。

由于廠房結(jié)構(gòu)復(fù)雜,剛度分布不均勻,造成結(jié)構(gòu)自振特性非常復(fù)雜。由前面計(jì)算出的結(jié)構(gòu)自振頻率結(jié)果可知,廠房結(jié)構(gòu)的自振頻率分布很密集,相鄰各階頻率之間差別不大。對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行共振校核時(shí),由前面的分析可知,有相當(dāng)一部分激振荷載頻率與機(jī)組達(dá)到的轉(zhuǎn)速有關(guān),因此,根據(jù)水電站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇振源主頻與整體結(jié)構(gòu)摸態(tài)的前5階自振頻率進(jìn)行共振校核,見表4。

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由表4可知,廠房壩段與機(jī)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(jié)構(gòu)自振與外來激振干擾力強(qiáng)迫振動(dòng)之間產(chǎn)生共振,是一個(gè)頗為復(fù)雜的問題,它涉及到機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)制造、安裝工藝水平、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量以及電廠的運(yùn)行方式等多方面應(yīng)達(dá)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(duì)水電站廠房結(jié)構(gòu)共振校核中出現(xiàn)的問題,參照國(guó)內(nèi)外一些電站在消除振動(dòng)方面的經(jīng)驗(yàn),對(duì)水電站廠房防止共振和避免出現(xiàn)不允許的振動(dòng),初步提出以下幾點(diǎn)建議:

(1)合理設(shè)計(jì)機(jī)械部分,安裝細(xì)致到位,日常運(yùn)行中需做好發(fā)電機(jī)的動(dòng)平衡。

(2)注意機(jī)組的運(yùn)行狀況,加強(qiáng)機(jī)組的運(yùn)行管理,盡量避免在某些可能產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)的負(fù)荷區(qū)運(yùn)行。

(3)根據(jù)廠房的特點(diǎn),適當(dāng)改善廠房結(jié)構(gòu),使得產(chǎn)生共振的可能性進(jìn)一步降低。

7、應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

    廠房壩段應(yīng)力計(jì)算結(jié)果包括各節(jié)點(diǎn)、單元的各類作用效應(yīng),可列表顯示,也可繪圖顯示,還可呈梯度、矢量、變形和動(dòng)畫顯示等。

    靜荷載、動(dòng)荷載和水平順?biāo)鞣较虻卣鹱饔眯?yīng)的組合的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,主廠房柱子Y向拉應(yīng)力最大值為9.2MPa,最大壓應(yīng)力為6.5MPa,其它方向應(yīng)力較小;發(fā)電機(jī)層樓板為純板結(jié)構(gòu),X向最大拉應(yīng)力為9.8MPa,最大壓應(yīng)力為8.0MPa,Z向最大拉應(yīng)力為8.3MPa,最大壓應(yīng)力為8.4MPa,由于采用殼單元,所以無Y向應(yīng)力;蝸殼X向拉應(yīng)力最大值為2.1MPa,最大壓應(yīng)力為0.8MPa。其它部位的應(yīng)力都比較小,由計(jì)算可知,該廠房壩段的應(yīng)力分布符合一般規(guī)律,滿足設(shè)計(jì)要求。

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