ANSYS在大型水輪機圓筒閥屈曲分析方面的應用

1 前言

水輪機圓筒閥是法國Neyrpic(現(xiàn)ASLSTOM)公司于1947年提出的專利,它是一個位于水輪機導葉與轉輪或導葉與座環(huán)之間的可垂直移動的薄壁圓筒。機組停機時,該圓筒被移到導水機構的位置,切開水流,起到截流閥的作用。機組運轉時,圓筒藏于專門的腔中。

水輪機應用圓筒閥可以代替?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。圓筒閥在水輪機運行時,沒有水力損失,提高了電站的效率。

鑒于圓筒閥上述優(yōu)點,越來越多的電站采用了圓筒閥,尤其是近年來,我國大型水電機組采用圓筒閥的結構越來越多,如光照電站(哈電生產),小灣電站(VOITH SIEMENS生產),糯扎渡電站(哈電生產),長河壩電站(哈電生產)等等。

圓筒閥在機組停機時,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度,還應具有一定的穩(wěn)定性,也就是說:對圓筒閥除了進行靜力分析之外,還應進行穩(wěn)定性的屈曲分析。

本文根據(jù)某電站圓筒閥的結構尺寸,運用ANSYS軟件,對圓筒閥進行了非線性屈曲分析,并經有限元計算結果與GB150-1998經典計算結果進行了比較,結果表明:ANSYS軟件計算圓筒閥的屈曲分析可以滿足工程需要。

2 屈曲分析

在結構的屈曲分析中,常用分叉來描述。分叉點有代表結構兩個平衡路徑的交點,表明屈曲失穩(wěn)的萌生位置,如圖1所示。

實際結構的另一個失穩(wěn)位置表現(xiàn)為一個平衡位置快速通過,跳躍到另一個平衡位置,也稱為后屈曲,如圖2所示。除此之外,結構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算屈曲載荷,根據(jù)是
否考慮非線性因素對屈曲載荷的影響,這類方法又細分成線性屈曲和非線性屈曲分析。

線性屈曲分析的特點是:忽略了各種非線性因素和初始缺陷對屈曲失穩(wěn)載荷的影響,對屈曲問題大大簡化,從而提高了屈曲失穩(wěn)分析的計算效率;由于沒有考慮非線性和初始缺陷的影響,得出的失穩(wěn)載荷可能與實際相差較大。從特性值角度研究失穩(wěn),只能獲得描述結構失穩(wěn)時各個相對的位移變化大小,即失穩(wěn)模態(tài)。無法給出位移的絕對值。

非線性屈曲分析的特點是: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,可給出足夠準確的失穩(wěn)載荷;但是,對呈高度非線性的屈曲失穩(wěn)問題,按非線性屈曲分析,結果的精度會受到較大的影響。

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圖1.平衡路徑的分叉點

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圖2.結構的后屈曲分析

3 分析實例

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 經典計算

根據(jù)ASME規(guī)范和GB150-1998鋼制壓力容器規(guī)范計算,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,恰好落在設計溫度下材料的右方,查GB150-1998中相應圖的系數(shù)B值,B=180MPa;因此,許用外壓力為:

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經經典計算得出:上述圓筒閥的最大許用外壓力為3.30MPa。

3.3 ANSYS有限元分析計算

選取一個完整的圓筒閥作為分析計算模型,如圖3所示。采用ANSYS軟件中的每個節(jié)點具有3個自由度的20節(jié)點六面體單元,即SOLID186單元,共剖分單元;節(jié)點,有限元網格圖如圖4所示。在圓筒閥的外側承受1MPa的壓力。

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圖3.計算模型            圖4.有限元網格剖分

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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 結論

運用 ANSYS軟件可以有效地對圓筒閥進行穩(wěn)定性屈曲分析,而且計算相對誤差在工程允許的范圍之內。