水電站啟閉機卷筒有限元分析應用及實踐

杜興

（中國葛洲壩集團機械船舶有限公司，湖北 宜昌 443007）

0 引言

目前，隨著計算機技術被廣泛地應用于水工領域，利用現代設計方法對一些在卷筒設計研究中無法計算解決的問題，也找到了新的計算分析方法，以往一些復雜的手工計算過程，甚至誤差較大的問題，現在也可以做進一步的精確研究了。根據水電站啟閉機卷筒結構設計的特點，選擇ANSYS軟件作為本文的有限元分析軟件，將會提高啟閉機的設計手段，克服以往靠傳統計算方法和經驗的設計狀態，減少設計誤差，提高設計效率和設計精度。

1 卷筒有限元模型建立及計算分析

為了準確反映卷筒的各部分的應力分布情況，我們首先將根據卷筒的實際結構，建立實體模型，劃分有限元網格，然后根據受力特點和約束情況，施加邊界條件和外載荷，最后使用ANSYS軟件進行求解計算。

1.1 卷筒模型簡化

因計算機資源有限，在建模過程中，要進行模型的簡化，模型要反映卷筒實際結構和力學特性，簡化一些對計算結果影響不大的特征，以減少劃分網格的數量，提高計算速度。

圖1 卷筒結構圖

啟閉機卷筒結構如圖1所示,其主要參數如表1所示。

因為啟閉機卷筒多屬于焊接殼結構，在有限元模型簡化時，我們將卷筒和鋼繩做如下假設：卷筒是封閉的薄壁圓柱殼，材料均質，各向同性，將鋼絲繩對卷筒的壓力均勻分布在鋼絲繩與卷筒的接觸寬度上。

表1 卷筒主要技術及結構參數

1.2 邊界條件的處理

上述卷筒結構左端通過卷筒軸（短軸）支承在滾動軸承座上，右端與卷筒聯軸器相連，由于鋼絲繩在卷筒上纏繞處離兩端各有一段距離，在實際工作中，左右兩端變形很小，在此將兩端作為邊界條件，進行約束，對左端進行固定約束，右端允許軸向移動，約束其它兩個方向。

1.3 載荷的施加

根據卷筒的受力狀況，鋼絲繩對卷筒的作用力主要有3個：1）受到一定張力的鋼絲繩纏繞在卷筒外壁，帶動卷筒旋轉，對卷筒轉動中心產生扭矩；2）把卷筒簡化為一簡支梁，當鋼絲繩的拉力作用在卷筒上后，會產生彎矩；3）把鋼絲繩在卷繞時對卷筒筒壁產生的緊箍作用看作成一個均勻的壓力，并作用于筒壁上。

圖2 光卷筒網格劃分及施加載荷

1.4 卷筒筒殼的有限元計算分析

1.4.1 光筒筒殼的有限元計算分析

1）材料設置與網格劃分。本例中的卷筒使用Q345B鋼板卷制而成，塑形材料,模型單元選用SOLID45實體單元，在劃分網格過程中，在卷筒的敏感區域或危險部位進行細化，滿足分析精度要求，且單元數不至于過多，這樣不僅滿足計算的精度要求，而且還節省了計算時間。

2）加載及求解（如圖 3、圖 4）。

圖3 光卷筒筒殼應力分布圖

圖4 光卷筒筒殼變形圖

1.4.2 帶繩槽卷筒筒殼的有限元計算分析

本例以圖1所示卷筒結構為例進行分析，卷筒相關尺寸為：槽底直徑Φ=1 258 mm；繩槽高度h=12 mm；繩槽節距t=35 mm。

按照卷筒的尺寸，筒殼上左右對稱各布置37圈繩槽，我們在ANSYS軟件中建立具有74圈繩槽的有限元模型，然后加載分析計算，其計算過程同上，比較分析帶繩槽卷筒同光卷筒的應力。

圖5 繩槽卷筒網格劃分及施加載荷

為同上述光筒比較計算結果，選用的材料也為Q345，根據尺寸建立有限元模型和劃分網格，加載及求解如圖6、圖7所示。

2.4.3 計算分析

1）傳統理論分析。我們以圖1所示的卷筒結構為例來說明：啟閉力100 t，吊具自重11 t，考慮動載系數后，合計總載荷為122.1 t，因滑輪組倍率為4，共8根鋼繩承擔載荷，所以計算所得單根鋼絲繩的最大靜拉力Smax=122.1/（8×0.925）=16.5 t，根據此最大靜拉力，纏繞繩表面壓力荷載ρ=Smax/（0.5D·t）=7.3 MPa，另通過計算，卷筒扭矩0.212 85×109N·mm，最大彎矩 0.254 721×109N·mm。根據啟閉機設計規范及力學公式，計算得到：彎曲正應力σx=9 MPa；扭轉剪應力 τ=3.5 MPa；卷筒壁壓應力 σp=201 MPa。

根據上面的計算結果可以看出，卷筒所承受的彎曲荷載和扭轉荷載很小，而卷筒壁的壓應力為2 000 Pa比較大，小于啟閉機設計規范上規定的許用壓應力［σp］（［σp］=σs/1.5=216.7 MPa）。

圖6 繩槽卷筒筒殼應力分布圖

圖7 繩槽卷筒筒殼變形圖

2）有限元計算分析。圖1所示卷筒經建模，劃分網格，施加邊界條件及載荷的過程，得出計算結果如表2所示。

表2 光卷筒和帶繩槽卷筒應力比較表

通過以上分析，可以看出，帶繩槽的卷筒強度應力比光卷筒的應力明顯降低，繩槽可以降低筒壁的應力，因此在今后的卷筒設計中，可以適當考慮繩槽處凸筋的承載能力，使卷筒壁厚減小，降低成本，提高經濟效益。

2 結語

實踐證明，利用現代設計方法將卷筒設計問題轉化為結構設計的模型，然后選擇適當的現代設計計算方法，通過計算機求解。它是保證啟閉機具有優良的性能、減輕重量或體積、降低成本的一種有效設計方法，這不僅滿足目前水電工程項目的市場需求，同時也能為國家節約投資、降低能耗。