燈泡貫流式水電站廠房三維靜動力分析(五)

1、燈泡貫流式水電站廠房三維靜動力分析(五)    摘要：國內(nèi)水利水電工程建設(shè)目前正處于前所未有的蓬勃發(fā)展時期，許多低水頭徑流式水電站建設(shè)逐步在我國的江河上興建，其中燈泡貫流式水電站由于流道平坦，機(jī)組過流量大、單位轉(zhuǎn)速高、效率高、尺寸小、重量輕、能量及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等優(yōu).點(diǎn)成為目前比較普遍的一種開發(fā)型式。然而，由于燈泡貫流式水電站廠房獨(dú)特的布置型式，致使應(yīng)力分布有不同于常規(guī)水電站廠房的特點(diǎn)，特別是在高地震烈度區(qū)修建的燈泡貫流式水電站。因此，本項(xiàng)目的研究分析具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 關(guān)鍵詞：燈泡貫流式水電站 靜 動力計(jì)算分析   3廠房結(jié)構(gòu)靜動力分析在a

2、nsys上的實(shí)現(xiàn) 3.1 ansys軟件介紹77 ansys是由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ansys公司設(shè)計(jì)開發(fā)的大型通用有限元分析軟件，是第一個通過is09001質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)類軟件，被美國機(jī)械工程師協(xié)會(asme )、美國核安全局(noa)及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件，已在國務(wù)院十七個部委推廣使用。 3.1.1 ansys軟件簡介 ansys軟件融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電、磁、聲學(xué)多個領(lǐng)域?yàn)橐惑w，能與多數(shù)cad軟件接口(如pro/engineer, nastran, alogor, i-deas, autocad等)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級c

3、ad工具之一。它具備功能強(qiáng)大、兼容性強(qiáng)、使用方便和計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，是目前最為流行的有限元軟件之一，廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制作、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利、日用家電等一般工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域，是目前世界上唯一可以進(jìn)行禍合場運(yùn)算的有限元分析軟件。 ansys軟件提供了不斷改進(jìn)的功能清單，具體包括結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體力學(xué)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分以及利用ansys參數(shù)設(shè)計(jì)語言擴(kuò)展宏命令功能77。 軟件基本的模塊包括前處理模塊(prep7)、分析計(jì)算模塊(solution)和后處理模塊(postl和post26 )

4、三個部分。前處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型;分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行靜動力學(xué)分析、非線性分析和熱學(xué)分析等)、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的禍合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。ansys構(gòu)架分為兩層(圖3-1)，一是起始層(begin level)，二是處理層(processor level)。這兩

5、個層的關(guān)系主要是使用命令輸入時，要通過起始層進(jìn)入不同的處理器。    圖 3-1 ansys軟件的基本構(gòu)成為: (1)節(jié)點(diǎn)(node):節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成有限元系統(tǒng)的基本對象，是整個工程系統(tǒng)中的最基本點(diǎn)，工程系統(tǒng)中的一個點(diǎn)的坐標(biāo)位置。其具有物理稱義的自由度，該自由度為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力后系統(tǒng)的反應(yīng)。 (2)單元(element):單元是節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)相連而成，單元的組合由各節(jié)點(diǎn)相互連接。單元是構(gòu)成有限元系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在具有不同特性的材料和不同的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，可選用不同種類的單元，單元中包含了物理對象的各種特性，ansys提供了100多種不同的單元類型，合適的單元選擇將可以大

6、大提高計(jì)算精度和效率，故使用時必須慎重選擇單元型號。 (3)自由度(degree of freedom):自由度在ansys中有重要意義，可以表示工程系統(tǒng)受到外力后的反應(yīng)結(jié)果。其不僅有整體系統(tǒng)的自由度，要在分析中進(jìn)行適當(dāng)約束，而且每個節(jié)點(diǎn)也有自由度，都有各自的坐標(biāo)系和對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)自由度，并且不同單元上的節(jié)點(diǎn)具有不同的自由度。因此在結(jié)構(gòu)分析中選擇合適的單元顯得尤為重要。 ansys軟件主要技術(shù)特點(diǎn)有以下幾個方面: (1)唯一能實(shí)現(xiàn)多場禍合分析的軟件; (2)唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型fea軟件; (3)唯一具有多物理場優(yōu)化功能的fea軟件; (4)唯一具有中文界面的大型

7、通用有限元軟件； (5)強(qiáng)大的非線性分析功能; (6)多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置; (7)支持異種、異構(gòu)平臺的網(wǎng)絡(luò)浮動，在異種、異構(gòu)平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件全部兼容; (8)強(qiáng)大的并行計(jì)算功能支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行多種自動網(wǎng)格劃分技術(shù); (9)良好的用戶開發(fā)環(huán)境; (10)支持的圖形傳遞標(biāo)準(zhǔn)，如sat, parasolid, step; (11)與cad軟件的接口，nigraphics, pro/engineer, i-deas, catia, cadds, solidedge, solidworkso 3.1.2 ansys在土木工程中的應(yīng)用 ansys在世界

8、范圍內(nèi)已經(jīng)成為土木建筑行業(yè)分析軟件的主流，其在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土房屋建筑、體育場館、橋梁、大壩、銅室、隧道以及地下建筑物等工程中得到了廣泛的應(yīng)用，可以對這些結(jié)構(gòu)在各種外載荷條件下的受力、變形、穩(wěn)定性及各種動力特性做出全面分析，從力學(xué)計(jì)算、組合分析等方面提出了全面的解決方案，為土木工程師提供了功能強(qiáng)大且方便易用的分析手段。 ansys自身具有強(qiáng)大的實(shí)體建模技術(shù)和三維建模能力，可通過自頂向下或自底向上的方式和布爾運(yùn)算、坐標(biāo)變換等多種手段，建立起諸如體育場館、橋梁、大壩等真實(shí)地反映工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜三維幾何模型。ansys提供了智能網(wǎng)格和映射網(wǎng)格兩種基本網(wǎng)格劃分技術(shù)和局部細(xì)分等多種網(wǎng)格劃分工具，可完成精

9、確的有限元模型。其還具有與cad軟件專用的數(shù)據(jù)接口，能實(shí)現(xiàn)與cad軟件的無縫幾何模型傳遞，實(shí)現(xiàn)不同分析軟件之間的模型轉(zhuǎn)換，并可讀取多種格式的圖形標(biāo)準(zhǔn)文件。 ansys的計(jì)算結(jié)果不但可以直觀地用圖形顯示出來，為定性地判斷計(jì)算結(jié)果和和設(shè)計(jì)的合理性帶來了極大的方便，還可以把計(jì)算結(jié)果列表的形式輸出，并對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行多種計(jì)算處理，使用戶定量地計(jì)算數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地得出分析結(jié)論。提供了許多數(shù)據(jù)后處理工具，如數(shù)據(jù)排序、數(shù)據(jù)運(yùn)算、單元表、路徑結(jié)果運(yùn)算、誤差估計(jì)、響應(yīng)譜生成、單點(diǎn)疲勞分析、支反力計(jì)算、時間相關(guān)數(shù)據(jù)處理、應(yīng)力線性化等。ansys還提供有計(jì)算報告生成器，按用戶選定的報告模板或用戶申定義的模板生成一個圖文并

10、茂的分析報告。 軟件可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的靜力和動力分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)的整體和局部失穩(wěn);給出結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型;計(jì)算結(jié)構(gòu)在水流、大風(fēng)、運(yùn)動車輛載荷和地震載荷等動載荷作用下的響應(yīng);結(jié)構(gòu)構(gòu)件與支撐部位間的接觸狀態(tài);錨固鋼纜、預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼支撐等鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及其與巖土和混凝土之間的相互作用:斜拉橋、懸索橋等橋梁的鋼絲束靜動強(qiáng)度分析等等?？扇我庠O(shè)定荷載工況，并可完成各種復(fù)雜的靜、動荷載以及溫度荷載工況組合，.能很方便地計(jì)算出結(jié)構(gòu)所承受的彎矩、扭矩、軸力以及應(yīng)力分布和變形情況，找出橋梁在各種運(yùn)動車輛荷載作用下的最不利位置，ansys還可模擬混凝土對鋼筋的握裹約束作用以及素混凝土或鋼筋混凝土的壓碎與開裂、收縮與徐變

11、，大體積混凝土在溫度和外力作用下裂隙的分布與擴(kuò)展過程?？蓪Ω鞣N施工過程進(jìn)行模擬，如桿件的拼裝過程、斜拉橋的調(diào)索過程、預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉過程、混凝土的澆筑過程;模擬地下洞室在高地應(yīng)力和巖石流變作用下圍巖與襯砌的相互作用，以選擇最佳建造時間;模擬隧道和洞室在不同施工條件下、不同開挖順序下，邊幫及底板的回彈、錯動以及高地應(yīng)力區(qū)巖爆發(fā)生的過程:隧道開挖過程仿真及優(yōu)化開挖順序;爆破及地震應(yīng)力波的傳播及其對結(jié)構(gòu)的破壞作用;大壩和道路施工過程仿真。土壤在地震等載荷作用下對結(jié)構(gòu)的作用:邊坡的穩(wěn)定性分析;建筑物、支撐、深基、樁等的承載能力與沉陷分析;樁基與土體的禍合分析;在復(fù)雜巖基中，邊坡和洞室錨固效果分析:巖土

12、節(jié)理、裂隙、斷裂、巖層等復(fù)雜地質(zhì)特點(diǎn)的力學(xué)仿真。可對各種結(jié)構(gòu)的參數(shù)和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì);對各種建筑物的加固與修補(bǔ)。此外，利用ansys提供的完善的、多層次的二次開發(fā)功能，以ansys已有程序?yàn)榛A(chǔ)平臺，可以開發(fā)出各種典型土木結(jié)構(gòu)專用分析子程序、行業(yè)規(guī)范驗(yàn)算程序、特殊處理工具等，從而形成自身的可長期持續(xù)應(yīng)用和發(fā)展的分析系統(tǒng)。 軟件的結(jié)構(gòu)分析功能包括非線性(材料非線性、幾何非線性和接觸非線性)、動力學(xué)(模態(tài)分析、瞬態(tài)動力分析、諧波響應(yīng)分析、響應(yīng)譜分析和隨機(jī)振動分析)、疲勞、斷裂力學(xué)及復(fù)合材料分析。其涉及結(jié)構(gòu)、熱、流體力學(xué)、電磁場等學(xué)科，能有效地進(jìn)行各種場的線性和非線性計(jì)算及多物理場相互影響的禍合分析。如

13、在結(jié)構(gòu)計(jì)算時考慮溫度的影響時，就要使用熱一結(jié)構(gòu)禍合。多場禍合計(jì)算是此產(chǎn)品的突出特色。 此外，軟件還具有一些其他功能，如子模型，可以在不增加整個模型復(fù)雜性和計(jì)算量的前提下獲得結(jié)構(gòu)中特定區(qū)域更為準(zhǔn)確的結(jié)果，亦可用于研究局部結(jié)構(gòu)的變化情況:子結(jié)構(gòu)，把部分結(jié)構(gòu)等效為一個獨(dú)立單元，可大大節(jié)省求解運(yùn)算時間并提高建模效率:單元死活，可以用來模擬材料添加與去除過程，如山體開挖、大壩修筑、焊接問題等;優(yōu)化(參數(shù)優(yōu)化和拓樸優(yōu)化)，用來達(dá)到用戶預(yù)設(shè)的優(yōu)化目標(biāo)或在指定材料用量后確定結(jié)構(gòu)剛度最大的拓?fù)湫螤?隨機(jī)有限元，用概率統(tǒng)計(jì)的方法來研究多個不確定輸入數(shù)據(jù)導(dǎo)致的輸出數(shù)據(jù)的不確定性;二次開發(fā)，允許用戶用apd以ansy

14、s參數(shù)化設(shè)計(jì)語言)、用戶子程序、外部命令、uidl(用戶界面設(shè)計(jì)語言)對軟件進(jìn)行開發(fā)。 ansys對土木工程的一些熱點(diǎn)問題有其獨(dú)特的實(shí)現(xiàn)方法，如預(yù)應(yīng)力施加及計(jì)算、施工過程模擬、空間動態(tài)載荷模擬等。 ansys在我國的很多大型土木工程中都立下了汗馬功勞，利用ansys進(jìn)行土木工程分析的例子不勝枚舉，如:目前中國最高的建筑88層樓的上海金茂大廈、上海浦東二十一世紀(jì)中心大廈、深圳南湖路花園大廈、國家大劇院、上?？萍拣^太空城、南陽體育中心體育館、廣州市新體育館主場館、山東濰坊富華水上娛樂中心水上皇宮、重慶市標(biāo)志建筑朝天揚(yáng)帆、上海新國際博覽中心一期、黃河下游特大型公路斜拉橋、黃州大橋v形剛構(gòu)的仿真、龍首

15、電站大壩、九甸峽大壩、東深供水改造工程、南水北調(diào)工程、金沙江溪落渡電站、二灘電站、龍羊峽電站，三峽工程等等。此外，同濟(jì)大學(xué)橋梁系用ansys設(shè)計(jì)分析了各種橋梁、清華大學(xué)利用ansys研究和設(shè)計(jì)了新型“大跨度雙向拉索斜拉橋”和“大跨度雙向拉索懸索橋”(己獲專利)、西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院用ansys模擬引水工程隧道的施工過程，武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院用ansys研究和設(shè)計(jì)了拱壩、面板堆石壩、復(fù)雜地下洞室群、大型輸水結(jié)構(gòu)，并模擬了其施工力學(xué)過程。      【1】沙錫林.貫流式水電站m.中國水利水電出版社，1999.12 【2】田樹棠.貫流式水輪發(fā)

16、電機(jī)組及其選擇方法m.中國電力出版社，2000.5 【3】翁映標(biāo).燈泡貫流式水電站設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)體會j.人民珠江，2003（3）：2931 【4】史濟(jì)民，王妍，鐘熳.燈泡式貫流機(jī)組在二道溝水電站的應(yīng)用j.東北水利水電， 2002（5）：1819 【5】彭澤元.國外燈泡式水輪機(jī)發(fā)展概況j.河?？萍歼M(jìn)展，1991（6）：3445 【6】陳榮湘.燈泡貫流式水輪機(jī)組的應(yīng)用與發(fā)展趨勢j.水電站機(jī)電技術(shù)，1994（1）：15 【7】樂漢卿.福建省燈泡貫流式機(jī)組技術(shù)發(fā)展的評述j. 大電機(jī)技術(shù)，2004（4）：5964 【8】田樹棠,苑連軍.從燈泡機(jī)組技術(shù)發(fā)展談電站設(shè)計(jì)優(yōu)化措施j.西北水電，

17、2000 （2）：3740 【9】 jkkhanna and sc bansalcavitation characteristics and selecting criteria for bomb turbineswaterpower&damconstruction1979(5) 【10】 framstrohrnerpetermagauer低水頭水輪機(jī)及其在美國水電站中的應(yīng)用珠江水電情報，1992.3,4 【11】彭澤元國外燈泡水輪機(jī)發(fā)展概況河海科技進(jìn)展，1

18、9916 【12】天津發(fā)電設(shè)備廠白垢電站iomw燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組研制總結(jié)水力機(jī)械技術(shù)1988(2) 【13】戴能武譯燈泡式水輪機(jī)設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展水利水電快報，19895 【14】何國任貫流式機(jī)組的國內(nèi)外發(fā)展概況。水電站機(jī)電技術(shù)，1993增刊 【15】陳萊洲，杜善秀論燈泡貫流式機(jī)組的發(fā)展前景及特殊性水電站機(jī)電技術(shù)，1993增刊 【16】劉益祥.大型燈泡貫流式機(jī)組的應(yīng)用與發(fā)展淺析惡灘水電站擴(kuò)建工程應(yīng)用燈泡貫流式機(jī)組的可行性.紅水河，第19卷第2期：4145 【17】田樹棠.大型燈泡貫流式機(jī)組在西北地區(qū)開發(fā)前景.陜西水力發(fā)電，1992（3）：813 【18】吳祖揚(yáng)飛來峽水利樞紐電站水輪機(jī)選擇及優(yōu)

19、化途徑人民珠江，19943 【19】馮衍祥馬跡塘水電站壓縮空氣簡介水力機(jī)械技術(shù)，19923 【20】楊德林馬騮灘水電站水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹廣西水電學(xué)會水力機(jī)械專業(yè)學(xué) 術(shù)討論會論文集，19966 【21】藍(lán)可華燈泡貫流式機(jī)組進(jìn)水口流道設(shè)計(jì)廣西水電學(xué)會水力機(jī)械專業(yè)學(xué)術(shù)討論會論文集,19966 【22】聶啟蓉，劉益祥百龍灘水電站水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)廣西水電學(xué)會水力機(jī)械專業(yè)學(xué)術(shù)討論會論文集，1996.6  【23】陳大慶飛來峽大型燈泡貫流式機(jī)組國際招標(biāo)小結(jié)水電電氣，19971 【24】孫定茂燈泡貫流式機(jī)組軸承油系統(tǒng)設(shè)計(jì).水力機(jī)械技術(shù)，19932 【25】陳曉霞，鄭守綱.燈泡貫流式水輪機(jī)

20、測流研究與設(shè)計(jì).水力機(jī)械技術(shù)，19966 【26】董疏新，李嚴(yán)碩.水電站建筑物結(jié)構(gòu)分析.大連理工出版社，1995.6 【27】張仁田.貫流式機(jī)組在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用研究.排灌機(jī)械，第22卷，第五      【1】沙錫林.貫流式水電站m.中國水利水電出版社，1999.12 【2】田樹棠.貫流式水輪發(fā)電機(jī)組及其選擇方法m.中國電力出版社，2000.5 【3】翁映標(biāo).燈泡貫流式水電站設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)體會j.人民珠江，2003（3）：2931 【4】史濟(jì)民，王妍，鐘熳.燈泡式貫流機(jī)組在二道溝水電站的應(yīng)用j.東北水利水電， 2002（5）：181

21、9 【5】彭澤元.國外燈泡式水輪機(jī)發(fā)展概況j.河海科技進(jìn)展，1991（6）：3445 【6】陳榮湘.燈泡貫流式水輪機(jī)組的應(yīng)用與發(fā)展趨勢j.水電站機(jī)電技術(shù)，1994（1）：15 【7】樂漢卿.福建省燈泡貫流式機(jī)組技術(shù)發(fā)展的評述j. 大電機(jī)技術(shù)，2004（4）：5964 【8】田樹棠,苑連軍.從燈泡機(jī)組技術(shù)發(fā)展談電站設(shè)計(jì)優(yōu)化措施j.西北水電，2000 （2）：3740 【9】 jkkhanna and sc bansalcavitation characteristics and selecting criteria for bomb turbineswaterpower&damconstruction1979(5) 【10】 framstrohrnerpetermagauer低水頭水輪機(jī)及其在美國水電站中的應(yīng)用珠江水電情報，1992.3,4 【11】彭澤元