MFSAP、SAP2000和STARDYNE三個軟件動力計算結果差異分析

馬旻 尹謙鈞

[摘要]MFSAP、STARDYNE 和SAP2000三個有限元軟件都可以用來進行汽輪發電機基礎動力分析，本文使用三個軟件對一個假想的汽機基礎進行動力計算，通過對結果的分析發現：三個軟件計算得到的結構自振頻率是一致的，相差在2%以內;幅頻曲線趨勢一致，數量上略有差異，這種差異隨位移幅值的數量增加而減小，在幅值10μm以上時，差異在10%以內;計算中由于采用阻尼形式的不同（粘滯阻尼和結構阻尼）引起的位移幅值的差異在3%以內。

[關鍵詞] 汽輪發電機基礎 ?有限元 ?幅頻曲線 ?阻尼

一、MFSAP、STARDYNE 和SAP2000簡介

MFSAP（TGFP的升級版）是國內電力行業應用較為廣泛的汽機基礎動力分析軟，軟件使用方便，與中國規范結合良好，是一個很好的計算工具。

在設計嶺澳核電站二期中的彈簧隔振基礎時，我院接觸到了STARDYNE軟件，并有幸向德國GERB公司汽機基礎設計專家學習了使用方法。STARDYNE是STAAD軟件中的一個高級分析模塊，在STAAD軟件界面雖然可以調用STARDYNE分析模塊，但STARDYNE軟件中大部分很好、很有用的功能無法使用，包括了用于汽機基礎動力分析的穩態分析的功能，德國GERB公司專家是通過批處理文件來調用STARDYNE頻域分析的功能，并且通常要借助其他前（后）處理軟件（如FEMAP）來進行建模或觀察計算結果，所以操作起來不太方便。

為便于進行彈簧隔振基礎設計，我們考慮用SAP2000軟件替代STARDYNE軟件來進行汽機基礎的動力分析。SAP2000的穩態分析功能適合解決汽機基礎動力問題，并且軟件操作界面直觀、友好，并且已經能夠根據中國規范進行構件設計，可以完成常規汽機基礎和彈簧隔振基礎動、靜力計算和構件設計，是進行汽機基礎動力分析的一個很好的工具。

由于以前很少使用STARDYNE和SAP2000軟件進行汽機基礎的動力分析，缺乏經驗，為驗證軟件分析結果的正確性，同時也為了解各個軟件結果的差異程度，我們選了一個算例，用三個軟件分別進行動力分析，并對結果進行分析和比較。

二、軟件中有關阻尼的設置

汽機基礎動力分析中的一個比較重要的問題是有關阻尼的取值和設置。阻尼有結構阻尼（structural damping or hysteretic damping）和粘滯阻尼（modal damping or viscous damping）兩種理論，在動力分析時，兩種阻尼理論通常都采用瑞利阻尼的表示形式，即阻尼矩陣表示為質量矩陣和剛度矩陣的線性組合。

MFSAP軟件使用說明書中指出，在MFSAP動力分析時無論采用哪種理論，阻尼比應采用《動規》規定的阻尼比的兩倍，即0.125。

STARDYNE中則提供“粘滯阻尼”（modal damping or viscous damping）和“結構阻尼”（structural damping or hysteretic damping），依據軟件的幫助文件，如果采用“粘滯阻尼”，在阻尼比應取0.0625;如果采用結構阻尼，在阻尼比應取為0.125。

SAP2000中僅提供了“結構阻尼”，以瑞利阻尼的形式給出，根據SAP2000分析手冊和結構動力學知識可知，將瑞利阻尼中的質量矩陣系數設為0，剛度矩陣系數設為粘滯阻尼比的2倍，則結構阻尼與粘滯阻尼。例如，如果STARDYNE中的粘滯阻尼比為0.0625，那么SAP2000中質量矩陣系數設為0，剛度矩陣系數設為0.125。

三、算例及結果分析

1.算例說明

本文所選的計算問題為MFSAP軟件使用手冊中的第一道例題EX1，是一個假想的汽機基礎，橫向一跨、縱向兩跨，SAP2000中的計算模型如下圖所示。擾力作用在每個橫梁的跨中，從左至右擾力作用節點號分別為26、31、36，其他詳細參數見MFSAP（V1.0）使用手冊。

將三個軟件計算結果與平均值進行比較可知，三個軟件的結果與均值最大相差為1.3%，即使計算模型很簡單，頻率的計算結果也會有一點差異。

3.計算結果差異分析

三個軟件計算的擾力作用點處SRSS組合的幅頻曲線見下圖。

從幅頻曲線圖中可看出，各曲線趨勢基本一致，但數量上存在差異，不完全重合。造成這種差異可能有兩個原因，一個是軟件計算精度不同，另外一個是軟件使用的阻尼類型不同。

為分析軟件計算精度的影響，將各軟件計算結果與均值的相對值為縱坐標，以相應的位移幅值為橫坐標，繪制成散點圖如下。

由上述兩圖可以看出，隨著計算的位移值的增加，三個軟件的計算結果相差越來越小，x方向結果收斂較快，在位移幅值大于1.5μm時，相差在5%以內;而z方向結果收斂較慢，幅值大于9μm時，相差在5%以內。由此可以推測，軟件的計算精度是造成結果差異的一個重要原因，并且隨著計算變量量值增加軟件的精度會提高。

為驗證上述推斷，本文將原模型中的z方向的三個擾力值放大10倍，將SAP2000和STARDYNE的計算結果整理見圖。圖中可以看出，在位移大于10μm以后，兩個軟件結果與均值相差5%以內。

為分析阻尼類型對計算結果的影響，使用STARDYNE軟件中的粘滯阻尼和結構阻尼兩種阻尼形式對算例進行計算，將兩個結果計算差異見圖，可以看出，阻尼形式不同引起的結果差異在3%以內。

四、結論

1.三個軟件計算得到的結構自振頻率是一致的，相差在2%以內;幅頻曲線趨勢一致，數量上略有差異，這種差異隨位移幅值的數量增加而減小，在幅值10μm以上時，差異在10%以內。

2.計算中由于采用阻尼形式的不同（粘滯阻尼和結構阻尼）引起的位移幅值的差異在3%以內。