試論水輪發電機上機架結構優化設計中FEM的應用

摘 要：FEM（有限單元法）作為一種高效、常用的求解連續體力學問題的計算方法，由于其在進行機械設備的結構分析與數據計算時所展現的準確性及有效性，所以也被廣泛作為機械設備結構優化的重要參考依據。通過FEM的計算分析，為水輪發電機上機架結構設計時所存在的缺陷及不足提供理論依據，對采取有效方法對上機架的結構予以改進和優化具有重要意義。

關鍵詞：有限單元法；上機架；結構優化

1 FEM概述

FEM是有限單元法的英文名稱Finite Element Method的縮寫形式，是一種目前應用較為普遍的偏微分方程計算分析方法，其在實際應用中也常常被稱作有限元分析（FEA）。FEM在數據計算與分析中具有較高的應用效率，該方法能夠通過對連續體的離散化處理，將其轉化為一定數量的有限單位集合，從而通過計算更為準確的獲得針對連續體力學問題的解答。FEM的發展基礎是基于在其之前便早已出現的變分原理，這也決定了FEM在以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各類物理場中有著較為普遍的應用。由于一些學者利用伽遼金法或最小二乘法等計算方法也獲得了有限元方程，因此，FEM也能夠更容易的在其他各類微分方程所描述的物理場中得到良好運用，這也較大程度地降低了對FEM應用條件的限制。亦如在進行水輪發電機上機架結構的分析與優化中，結合計算機輔助工程仿真技術并利用FEM所發揮的效果同樣良好。

2 上機架結構計算模型及數據分析

2.1 幾何模型的構建

幾何模型的建立應以上機架結構的準確把握為基礎，通常水輪發電機上機架結構均為四點支撐形式，即有四條支臂，從垂直角度來看，呈現出輻射狀對稱形式，并與中心主體通過焊接結合成一個統一整體。以某電站機組為例，該機組的上機架結構材質由碳素結構鋼材料構成，其上機架三維模型及相應參數值如圖1及表1所示。

在實際建模過程中，除一些細微特征完全與實際相符外，其他各項特征都是以實際測量尺寸為標準依據，并嚴格參考設計圖紙及其他相關材料進行三維模型制作，以獲得與真實結構最為接近的模型結構形式與分析結果。

2.2 有限元模型的構建

為建立準確的有限元模型，在實際結構分析中進一步針對已創建的三維實體模型進行非線性四面體單位的網格劃分處理，從而構成相應的獨立單元和對應節點，通過大量的有限大小的單元劃分，針對新構成的有限單元模型展開全面檢查，尋找是否存在扭曲變形單元。例舉電站機組的上機架幾何模型及對應的有限元模型如圖2所示。

2.3 相關邊界條件的確定

對于水輪發電機組而言，其在運行與靜止條件下上機架所承受的軸向荷載力存在較大差異，靜止條件下所承受的軸向荷載主要來自于轉子、轉輪以及軸自身的重量，發電機組運行時，其所承受的軸向荷載加上水流沖擊作用下的軸向水推力增加了上機架的工作壓力，使得上機架處于較為惡劣的工況中。基于這一情況下的實際受力狀況對其荷載能力進行計算與分析，可獲得水輪發電機上機架結構工作中所需承受的最大荷載數值，并可對其他各項參數同時進行優化調整。

2.4 對上機架結構模擬計算數據的分析

上述電站的上機架所存在的主要問題為其支承結構中出現了裂縫，通過相應計算可獲取該上機架結構在實際工況下的最大等效應力值為297MPa，而獲取到該數值所經過計算的有限單元與實際上機架結構中裂縫出現的位置存在著對應關系，說明該位置的結構強度不滿足實際工況要求，結合上機架結構的材料性能及參數分析，可以發現在其當前性能狀況與受力狀況下的安全系數相對較低，僅能夠達到約75%，由此可見若想實現上機架結構的有效優化，應相應的提高上機架的結構強度，從而確保優化后的上機架結構的可靠性，減少裂縫出現的幾率。

3 上機架結構優化策略

通過FEM對出現問題的上機架結構進行多次計算對比分析后，確定最終的處理措施及優化方法，從對實體裂紋部分進行更換處理、適當加固支撐結構的方向著手，在保證其整體強度與承載能力的同時達到改進并優化的目的。還應對施工現場的空間條件與施工操作的可行性等方面充分考量，在保證正常結構部分的結構特征不發生較大改變的基礎上，采取在所承受應力較高的結構部分如立筋正下方加焊具有一定厚度和寬度的鋼板來進行局部結構性能的加強，并分散上機架結構在機組運行過程中原本較為集中的高應力，從而達到加強上機架整體強度的目的。初步改進完成后，針對新的結構體再次進行有限單元劃分與模型檢查，新構建的有限單元結構模型中單元數量及節點數量相較于原結構都有所增加，且檢查中沒有發現扭曲及變形單元存在。經過實際運行檢測得出，改進后的上機架結構最大等效應力有很大程度的下降，安全系數得到了一定的提升，結構部位位移也相對得到控制，應力分布更加均勻，機組的整體運行效率得到了進一步的提高。

4 結束語

對于水輪發電機而言，其上機架結構的合理性與可靠性在很大程度上影響著機組的運行效率與運行質量，無論是初期的結構設計亦或是運行中出現問題時，結合FEM這種方法對上機架結構進行相應的計算對比及分析判別，在為上機架的結構改進及優化方面提供有效的理論數值依據的同時，也為電站的如期啟動運行或恢復正常運行贏得寶貴的時間，更為其后類似的上機架結構設計及改進提供了較為有參考價值的工程技術經驗。

參考文獻

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作者簡介：胡佳琪（1982-），女，工程師，從事水輪發電機技術管理工作。