基于ABAQUS某框架結構動力性能研究

林顯超 洪大智 崔彥亭 鄧愛祥

摘要：汽輪發電機組基礎動力性能好壞直接影響發電機組能否正常運行，本文采用ABAQUS有限元分析軟件采用模態疊加法和直接積分法對框架結構進行詳細的動力性能分析，對比兩種計算方法的計算結果，驗證框架基礎按照多自由度模型分析的合理性，同時表明模態疊加法計算結果偏于保守，與直接積分法相比最大振動位移相差11.9%，工程設計時應采用直接積分法對模態疊加法的結果進行校核，并按照振幅法和共振法兩種標準對框架結構動力性能進行評價，以保證結果的準確性，從而為框架結構設計、復核提供了一定的指導。

關鍵詞：ABAQUS;動力分析;模態疊加法;直接積分法

中圖分類號：TU311.3

1引言

世界能源日漸匱乏，能源系統仍以化石能源為主，火力發電的能量利用效率較高，是化學能重要的轉換媒介，為保證能源的有效供應，必須保證汽輪發電機組的正常高效率運行。隨著人們對能源的需求逐漸增加，汽輪發電機組裝機容量也越來越大，振動是汽輪發電機組在運行過程當中難以避免的問題，實際運行過程中由于安裝、運行、維護等方面的問題可能使汽輪發電機組整體或局部振動幅度過大，嚴重影響機組正常運行。基礎作為汽輪發電機組的支撐結構，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結構動力特性的基本方法，共振法是通過控制結構自振頻率遠離機組的擾動頻率，避免基礎發生共振，振幅法是通過控制基礎振動位移、速度在一定限值，避免基礎振動幅度過大。我國現行《動力機器基礎設計規范》[1]通過振動幅度對基礎的動力特性進行控制，規范的評價指標帶有一定局限性，目前大多數學者多采用振幅法和共振法相結合的方法進行基礎動力性能分析，高等利[2]通過STA-AD計算軟件并采用振幅法和共振法綜合評價框架基礎的動力性能。基礎動力性能的研究方法主要有模型實驗和數值模擬計算方法，魏志鵬[3]通過對1：10縮尺模型的動力性能以及擬靜力實驗分析，得出框架結構動力響應及延性滿足實際工程需要。宛森、趙春曉[4]通過ANSYS對某汽輪發電機組框架基礎進行數值模擬，并研究了底板、設備剛度、擾力作用點等對有限元分析的影響。與模型實驗相比有限元計算方法容易實施、成本較低，雖然計算結果沒有模型實驗準確，但在一定程度上能反映基礎的動力性能，近年來越來越到的用于結構動力學分析。

動力學最常用的分析方法有模態疊加法和直接積分法，模態法是對動力學方程在模態坐標系下進行解耦，得到基于模態坐標的單自由度運動方程，然后對多個自由度進行求解，計算成本不高但精度較低，直接積分法直接對動力學方程進行積分，耗時多但計算精度高，國內學者多采用模態疊加法對汽輪發電機組基礎的動力性能進行分析。王雷[5]通過Matlab計算軟件，采用振型疊加法對框架結構的安全性進行評價。綜上所述本文通過ABAQUS有限元分析軟件采用模態疊加法以及直接積分法對某框架基礎進行動力學性能分析，按照共振法和振幅法兩項評價指標對基礎進行安全評估，為框架基礎動力分析提供一定的指導和幫助。

2 基礎結構模型及參數設置

2.1 基礎尺寸

本文研究的汽輪發電機組框架結構基礎有限元模型如圖一所示，框架基礎共有三層，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）。二層平臺汽輪機下平臺尺寸為14.74×13.5×1.25（m），發電機下為空心平臺。該框架結構混凝土強度等級為C30，鋼筋保護層厚度為50mm，基礎配筋由一級和二級鋼筋組成。

2.2模型參數

框架基礎密度為2500kg/m3，彈性模量為30000MPa，泊松比為0.2，由于底板對框架基礎結構動力分析影響較小，本次模擬不考慮底板作用，約束基礎地面三個方向自由度。結構按照三維實體模型建模，基礎共128514個單元，單元類型為C3D8R，八節點三維縮減積分單元，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值問題過于柔軟，以單個減縮單元為例模擬受純彎曲載荷的情況如圖三所示：

2.3 荷載加載方式和計算參數

框架基礎頂部設備采用集中質量點進行添加，根據《動力機器基礎設計規范》，工作轉速為3000（r/min）的動力機器基礎擾力點按照豎向、橫向0.2倍轉子重量、縱向0.1倍轉子重量進行加載，擾力點加載值如表一所示，加載按照正弦函數形式，豎向和共設置八個、個擾力點，具體設置方式圖四所示，模態疊加法模態阻尼為0.0625，直接積分法結構阻尼為0.0625。

3 動力分析

3.1模態分析

根據《動力機器基礎設計規范》，對于工作轉速為3000r/min基礎，需提取0～70HZ模態振型，基礎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，基礎自振頻率在10～20HZ最為密集，且自振頻率在機組工作頻率50HZ附近分布較為密集，采用自振法無法避開機組工作轉速，由圖五可知基礎前四階振型以基礎整體平動、柱子局部扭動、整體扭動為主。

3.2基于模態疊加法的頻率響應分析

各擾力點X（縱向）、Y（豎向）、Z（橫向）三個方向振動最大位移如下表三所示

根據模態疊加法計算的結果可知，擾力點最大振動位移出現在7號擾力點Y向，數值為3.67μm，根據規范要求，一般情況下，只需要計算擾力作用點豎向振動線位移，7號擾力點豎向振動位移未超過規范中要求的20μm限值，滿足規范要求。

3.3基于直接積分法的頻率響應分析

根據直接積分法計算的結果可知，擾力點最大振動位移出現在7號擾力點Z向，數值為4.36μm，根據規范要求，一般情況下，只需要計算擾力作用點豎向振動線位移，最大豎向振動位移出現在7號擾力點，數值為4.12μm，未超過規范中要求的20μm限值，滿足規范要求。

3.4 動力分析結論

通過采用模態疊加法和直接積分法對框架結構擾力點進行頻率響應分析，擾力點振動幅度滿足動力機器基礎設計規范要求。模態疊加法和直接積分法計算的結果均表明框架結構7號擾力點豎向振動幅度最大。

4結論

本文通過ABAQUS有限元軟件對某框架結構分別采用模態疊加法以及直接積分法進行動力性能分析，得出如下結論。

（1）進行結構動力學分析時，應采用共振法和振幅法兩種評價方法對基礎動力性能進行評價，當結構無法避開機組工作轉速，共振法失效。

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

（3）當無實測資料時，應采用多種方法進行動力分析以驗證有限元結果的正確性。

參考文獻

[1]GB 50040-1996， 動力機器基礎設計規范[S].

[2]高等利.汽輪發電機組框架式基礎計算分析[J].山西建筑，2019，45（11）：85-87.

[3]魏志鵬. 660MW火力發電機支撐結構動力及抗震性能研究[D].河北建筑工程學院，2020.

[4]苑森，趙春曉.汽輪發電機基礎數值模擬的探討[J].武漢大學學報（工學版），2018，51（S1）：186-191.

[5]王雷，李洋，康靈果.某汽輪發電機組框架式基礎動力特性研究[J].工程建設與設計，2008（04）：42-46.

作者簡介：林顯超（1989-），男，內蒙古赤峰，高級工程師，本科，汽輪機設備管理。