ANSYS在大型水轮机圆筒阀屈曲分析方面的应用

1 前言

水轮机圆筒阀是法国Neyrpic(现ASLSTOM)公司于1947年提出的专利,它是一个位于水轮机导叶与转轮或导叶与座环之间的可垂直移动的薄壁圆筒。机组停机时,该圆筒被移到导水机构的位置,切开水流,起到截流阀的作用。机组运转时,圆筒藏于专门的腔中。

水轮机应用圆筒阀可以代替传统的蝶阀或球阀,因而可以取消蝶阀室,缩小电站厂房宽度,减少吊车跨距等而降低电站投资。圆筒阀在水轮机运行时,没有水力损失,提高了电站的效率。

鉴于圆筒阀上述优点,越来越多的电站采用了圆筒阀,尤其是近年来,我国大型水电机组采用圆筒阀的结构越来越多,如光照电站(哈电生产),小湾电站(VOITH SIEMENS生产),糯扎渡电站(哈电生产),长河坝电站(哈电生产)等等。

圆筒阀在机组停机时,主要承受外界的水压力,因此要求圆筒阀不但具有足够的强度,还应具有一定的稳定性,也就是说:对圆筒阀除了进行静力分析之外,还应进行稳定性的屈曲分析。

本文根据某电站圆筒阀的结构尺寸,运用ANSYS软件,对圆筒阀进行了非线性屈曲分析,并经有限元计算结果与GB150-1998经典计算结果进行了比较,结果表明:ANSYS软件计算圆筒阀的屈曲分析可以满足工程需要。

2 屈曲分析

在结构的屈曲分析中,常用分叉来描述。分叉点有代表结构两个平衡路径的交点,表明屈曲失稳的萌生位置,如图1所示。

实际结构的另一个失稳位置表现为一个平衡位置快速通过,跳跃到另一个平衡位置,也称为后屈曲,如图2所示。除此之外,结构在局部高压力作用下的起皱和表面重叠也是一种局部失稳形式。

对屈曲失稳问题的分析大致有两大类:一类是通过特征值分析计算屈曲载荷,根据是
否考虑非线性因素对屈曲载荷的影响,这类方法又细分成线性屈曲和非线性屈曲分析。

线性屈曲分析的特点是:忽略了各种非线性因素和初始缺陷对屈曲失稳载荷的影响,对屈曲问题大大简化,从而提高了屈曲失稳分析的计算效率;由于没有考虑非线性和初始缺陷的影响,得出的失稳载荷可能与实际相差较大。从特性值角度研究失稳,只能获得描述结构失稳时各个相对的位移变化大小,即失稳模态。无法给出位移的绝对值。

非线性屈曲分析的特点是:考虑以往加载历史的影响;考虑非线性载荷,包括材料非线性、几何非线性等因素;考虑初始缺陷;中等非线性程度的屈曲失稳问题,可给出足够准确的失稳载荷;但是,对呈高度非线性的屈曲失稳问题,按非线性屈曲分析,结果的精度会受到较大的影响。

 抱歉!图片加载失败。（有限元培训学习，请到1CAE.com学习中心)

图1.平衡路径的分叉点

 抱歉!图片加载失败。（有限元培训学习，请到1CAE.com学习中心)
图2.结构的后屈曲分析

3 分析实例

3.1 基本参数

圆筒阀外径:D1=8390mm;圆筒阀壁厚:t=154mm;

圆筒阀高度:H=1750mm

3.2 经典计算

根据ASME规范和GB150-1998钢制压力容器规范计算,该圆筒阀的中心半径R=4118mm
;高度与外径的比为:ψ= H/D0=0.209 ;直径与厚度的比为:ξ=D0/t=54.48 ≥20 ;根据上述计算值以及GB150-1998,通过插值可以求出系数A,A=0.022,恰好落在设计温度下材料的右方,查GB150-1998中相应图的系数B值,B=180MPa;因此,许用外压力为:

 抱歉!图片加载失败。（有限元培训学习，请到1CAE.com学习中心)

经经典计算得出:上述圆筒阀的最大许用外压力为3.30MPa。

3.3 ANSYS有限元分析计算

选取一个完整的圆筒阀作为分析计算模型,如图3所示。采用ANSYS软件中的每个节点具有3个自由度的20节点六面体单元,即SOLID186单元,共剖分单元;节点,有限元网格图如图4所示。在圆筒阀的外侧承受1MPa的压力。

     抱歉!图片加载失败。（有限元培训学习，请到1CAE.com学习中心)抱歉!图片加载失败。（有限元培训学习，请到1CAE.com学习中心)

图3.计算模型            图4.有限元网格剖分

 抱歉!图片加载失败。（有限元培训学习，请到1CAE.com学习中心)
图5.圆筒阀的屈曲分析模态

有限元分析得出:该圆筒阀承受的最大外压力为 3.11MPa,图5为该圆筒阀的屈曲分析模态。

4 结论

运用 ANSYS软件可以有效地对圆筒阀进行稳定性屈曲分析,而且计算相对误差在工程允许的范围之内。