基于ABAQUS某框架結(jié)構(gòu)動力性能研究

林顯超 洪大智 崔彥亭 鄧愛祥

摘要：汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)動力性能好壞直接影響發(fā)電機(jī)組能否正常運(yùn)行，本文采用ABAQUS有限元分析軟件采用模態(tài)疊加法和直接積分法對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的動力性能分析，對比兩種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證框架基礎(chǔ)按照多自由度模型分析的合理性，同時(shí)表明模態(tài)疊加法計(jì)算結(jié)果偏于保守，與直接積分法相比最大振動位移相差11.9%，工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用直接積分法對模態(tài)疊加法的結(jié)果進(jìn)行校核，并按照振幅法和共振法兩種標(biāo)準(zhǔn)對框架結(jié)構(gòu)動力性能進(jìn)行評價(jià)，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而為框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)核提供了一定的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：ABAQUS;動力分析;模態(tài)疊加法;直接積分法

中圖分類號：TU311.3

1引言

世界能源日漸匱乏，能源系統(tǒng)仍以化石能源為主，火力發(fā)電的能量利用效率較高，是化學(xué)能重要的轉(zhuǎn)換媒介，為保證能源的有效供應(yīng)，必須保證汽輪發(fā)電機(jī)組的正常高效率運(yùn)行。隨著人們對能源的需求逐漸增加，汽輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量也越來越大，振動是汽輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程當(dāng)中難以避免的問題，實(shí)際運(yùn)行過程中由于安裝、運(yùn)行、維護(hù)等方面的問題可能使汽輪發(fā)電機(jī)組整體或局部振動幅度過大，嚴(yán)重影響機(jī)組正常運(yùn)行。基礎(chǔ)作為汽輪發(fā)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)，其良好的動力性能就顯得十分重要。

共振法和振幅法是評價(jià)結(jié)構(gòu)動力特性的基本方法，共振法是通過控制結(jié)構(gòu)自振頻率遠(yuǎn)離機(jī)組的擾動頻率，避免基礎(chǔ)發(fā)生共振，振幅法是通過控制基礎(chǔ)振動位移、速度在一定限值，避免基礎(chǔ)振動幅度過大。我國現(xiàn)行《動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]通過振動幅度對基礎(chǔ)的動力特性進(jìn)行控制，規(guī)范的評價(jià)指標(biāo)帶有一定局限性，目前大多數(shù)學(xué)者多采用振幅法和共振法相結(jié)合的方法進(jìn)行基礎(chǔ)動力性能分析，高等利[2]通過STA-AD計(jì)算軟件并采用振幅法和共振法綜合評價(jià)框架基礎(chǔ)的動力性能。基礎(chǔ)動力性能的研究方法主要有模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算方法，魏志鵬[3]通過對1：10縮尺模型的動力性能以及擬靜力實(shí)驗(yàn)分析，得出框架結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及延性滿足實(shí)際工程需要。宛森、趙春曉[4]通過ANSYS對某汽輪發(fā)電機(jī)組框架基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬，并研究了底板、設(shè)備剛度、擾力作用點(diǎn)等對有限元分析的影響。與模型實(shí)驗(yàn)相比有限元計(jì)算方法容易實(shí)施、成本較低，雖然計(jì)算結(jié)果沒有模型實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確，但在一定程度上能反映基礎(chǔ)的動力性能，近年來越來越到的用于結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析。

動力學(xué)最常用的分析方法有模態(tài)疊加法和直接積分法，模態(tài)法是對動力學(xué)方程在模態(tài)坐標(biāo)系下進(jìn)行解耦，得到基于模態(tài)坐標(biāo)的單自由度運(yùn)動方程，然后對多個(gè)自由度進(jìn)行求解，計(jì)算成本不高但精度較低，直接積分法直接對動力學(xué)方程進(jìn)行積分，耗時(shí)多但計(jì)算精度高，國內(nèi)學(xué)者多采用模態(tài)疊加法對汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)的動力性能進(jìn)行分析。王雷[5]通過Matlab計(jì)算軟件，采用振型疊加法對框架結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評價(jià)。綜上所述本文通過ABAQUS有限元分析軟件采用模態(tài)疊加法以及直接積分法對某框架基礎(chǔ)進(jìn)行動力學(xué)性能分析，按照共振法和振幅法兩項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)對基礎(chǔ)進(jìn)行安全評估，為框架基礎(chǔ)動力分析提供一定的指導(dǎo)和幫助。

2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)設(shè)置

2.1 基礎(chǔ)尺寸

本文研究的汽輪發(fā)電機(jī)組框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)有限元模型如圖一所示，框架基礎(chǔ)共有三層，總高18.2m，跨度為43.25m，第一層高10.1m，第二層高4.9m，第三層高3.2m，一層柱子尺寸分別為3.3×3.4、2.6×3.4、2.1×2.25、2.6×2.25（m），剪力墻底部柱子尺寸為2.6×3（m），剪力墻兩柱間開口尺寸為2.6×7.5（m），三層主梁尺寸為3.4×3.2、2.48×2.595（m）。二層平臺汽輪機(jī)下平臺尺寸為14.74×13.5×1.25（m），發(fā)電機(jī)下為空心平臺。該框架結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級為C30，鋼筋保護(hù)層厚度為50mm，基礎(chǔ)配筋由一級和二級鋼筋組成。

2.2模型參數(shù)

框架基礎(chǔ)密度為2500kg/m3，彈性模量為30000MPa，泊松比為0.2，由于底板對框架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動力分析影響較小，本次模擬不考慮底板作用，約束基礎(chǔ)地面三個(gè)方向自由度。結(jié)構(gòu)按照三維實(shí)體模型建模，基礎(chǔ)共128514個(gè)單元，單元類型為C3D8R，八節(jié)點(diǎn)三維縮減積分單元，如圖二所示。線性減縮積分的存在來自其本身的所謂沙漏數(shù)值問題過于柔軟，以單個(gè)減縮單元為例模擬受純彎曲載荷的情況如圖三所示：

2.3 荷載加載方式和計(jì)算參數(shù)

框架基礎(chǔ)頂部設(shè)備采用集中質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行添加，根據(jù)《動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，工作轉(zhuǎn)速為3000（r/min）的動力機(jī)器基礎(chǔ)擾力點(diǎn)按照豎向、橫向0.2倍轉(zhuǎn)子重量、縱向0.1倍轉(zhuǎn)子重量進(jìn)行加載，擾力點(diǎn)加載值如表一所示，加載按照正弦函數(shù)形式，豎向和共設(shè)置八個(gè)、個(gè)擾力點(diǎn)，具體設(shè)置方式圖四所示，模態(tài)疊加法模態(tài)阻尼為0.0625，直接積分法結(jié)構(gòu)阻尼為0.0625。

3 動力分析

3.1模態(tài)分析

根據(jù)《動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對于工作轉(zhuǎn)速為3000r/min基礎(chǔ)，需提取0～70HZ模態(tài)振型，基礎(chǔ)的自振頻率和振型如表二及圖五所示

前四階振型圖如下：

由表二可知，基礎(chǔ)自振頻率在10～20HZ最為密集，且自振頻率在機(jī)組工作頻率50HZ附近分布較為密集，采用自振法無法避開機(jī)組工作轉(zhuǎn)速，由圖五可知基礎(chǔ)前四階振型以基礎(chǔ)整體平動、柱子局部扭動、整體扭動為主。

3.2基于模態(tài)疊加法的頻率響應(yīng)分析

各擾力點(diǎn)X（縱向）、Y（豎向）、Z（橫向）三個(gè)方向振動最大位移如下表三所示

根據(jù)模態(tài)疊加法計(jì)算的結(jié)果可知，擾力點(diǎn)最大振動位移出現(xiàn)在7號擾力點(diǎn)Y向，數(shù)值為3.67μm，根據(jù)規(guī)范要求，一般情況下，只需要計(jì)算擾力作用點(diǎn)豎向振動線位移，7號擾力點(diǎn)豎向振動位移未超過規(guī)范中要求的20μm限值，滿足規(guī)范要求。

3.3基于直接積分法的頻率響應(yīng)分析

根據(jù)直接積分法計(jì)算的結(jié)果可知，擾力點(diǎn)最大振動位移出現(xiàn)在7號擾力點(diǎn)Z向，數(shù)值為4.36μm，根據(jù)規(guī)范要求，一般情況下，只需要計(jì)算擾力作用點(diǎn)豎向振動線位移，最大豎向振動位移出現(xiàn)在7號擾力點(diǎn)，數(shù)值為4.12μm，未超過規(guī)范中要求的20μm限值，滿足規(guī)范要求。

3.4 動力分析結(jié)論

通過采用模態(tài)疊加法和直接積分法對框架結(jié)構(gòu)擾力點(diǎn)進(jìn)行頻率響應(yīng)分析，擾力點(diǎn)振動幅度滿足動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。模態(tài)疊加法和直接積分法計(jì)算的結(jié)果均表明框架結(jié)構(gòu)7號擾力點(diǎn)豎向振動幅度最大。

4結(jié)論

本文通過ABAQUS有限元軟件對某框架結(jié)構(gòu)分別采用模態(tài)疊加法以及直接積分法進(jìn)行動力性能分析，得出如下結(jié)論。

（1）進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析時(shí)，應(yīng)采用共振法和振幅法兩種評價(jià)方法對基礎(chǔ)動力性能進(jìn)行評價(jià)，當(dāng)結(jié)構(gòu)無法避開機(jī)組工作轉(zhuǎn)速，共振法失效。

（2）直接積分法相比模態(tài)疊加法振動響應(yīng)計(jì)算值偏大，特別是Z向振動響應(yīng)，兩種計(jì)算方法的Y向振動位移峰值相比直接積分法小11.9%，直接積分法計(jì)算結(jié)果更能滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）當(dāng)無實(shí)測資料時(shí)，應(yīng)采用多種方法進(jìn)行動力分析以驗(yàn)證有限元結(jié)果的正確性。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50040-1996， 動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]高等利.汽輪發(fā)電機(jī)組框架式基礎(chǔ)計(jì)算分析[J].山西建筑，2019，45（11）：85-87.

[3]魏志鵬. 660MW火力發(fā)電機(jī)支撐結(jié)構(gòu)動力及抗震性能研究[D].河北建筑工程學(xué)院，2020.

[4]苑森，趙春曉.汽輪發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)數(shù)值模擬的探討[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2018，51（S1）：186-191.

[5]王雷，李洋，康靈果.某汽輪發(fā)電機(jī)組框架式基礎(chǔ)動力特性研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2008（04）：42-46.

作者簡介：林顯超（1989-），男，內(nèi)蒙古赤峰，高級工程師，本科，汽輪機(jī)設(shè)備管理。