CN112347674A - 一种狭小空间分块固定配重块的动力特性评估系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种狭小空间分块固定配重块的动力特性评估系统，包括三维建模单元，有限元力学测试分析单元和后处理路径映射单元；所述的三维建模单元负责建立配重块及焊缝的三维几何模型；对于带有立筋的狭小空间需要采用分块固定配重块，用以减少离心力的材料变形及应力集中的特性；所述有限元力学分析单元用于将建立好的模型导入有限元分析软件，对配重块及焊缝建模、划分网格、给定边界条件、调试并计算；所述后处理路径映射单元用于对配重块整体受力形变及焊缝的形变进行分析，以及对危险断面采用路径标记的方法进行计算。本发明可以提前发现缺陷，精度高，评估准确。

Description

一种狭小空间分块固定配重块的动力特性评估系统及方法

技术领域

本发明涉及水力机械动平衡技术领域，特别涉及一种狭小空间分块固定配重块的动力特性评估系统及方法。

背景技术

水轮发电机组由于工艺控制的限制，容易出现质量偏心及电磁偏心的情况。由于旋转产生的径向离心力会直接作用在导轴承上，在工况变化的过程中会造成运转参数的变化。因此，为了确保机器在工作转速范围内振动、摆度参数在合理范围内，就需要根据转子旋转参数在特定的方位采取在转子支架添加配重块用以平衡动力不平衡分量。

目前对于立式水轮发电机导轴承支架添加配重块主要是通过焊接及螺栓加固的方法。但是螺栓加固需要在转子支架上设有螺栓定位孔，但是定位孔的位置与偏心角度不一定完全重合，所以大多时候是只能通过焊接的方法固定配重块。但是由于水电机组能添加配重块的位置及空间不具备普遍性，在需要添加配重块的时候需要针对每台机组的特异性制定相应的方案。由于狭小空间往往不能采用全断面焊接配重块的固定方法，因此针对该种特性需要对机组进行分块固定的方法，而对这种焊接固定方法的动力学特性评估就成了重要的研究内容。由于水电机组的配重块添加半径及水电机组的额定转速不同，对配重块的固定方法一旦失效就容易造成扫膛的重大事故，因此对配重块固定方法的动态力学评估是很有必要的。以往对于配重块的固定方法大多数凭借经验，这种方法有以下几个不足方面：一是由于焊结方法大多依靠工人经验，缺乏科学的指导工艺方法，对应力集中危险点及位移最大危险点不能起到早预警，早干预的作用；二是缺乏对焊接质量块的动力学评估方法，缺少对焊接块动力失效特性分析手段；三是在狭小空间无法进行全端面的焊接和加固，这就需要采用合理的方法对配重块的安装形式进行系统化的计算。

因此需要寻找一种针对狭小空间分块固定配重的动力特性评估系统及方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种狭小空间分块固定配重块的动力特性评估系统及方法，可以提前发现缺陷，精度高，评估准确。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种狭小空间分块固定配重块的动力特性评估系统，包括三维建模单元，有限元力学测试分析单元和后处理路径映射单元；

所述的三维建模单元负责建立针对狭小空间分块布置的配重块及焊缝的三维几何模型；对于带有立筋的狭小空间需要采用分块夹紧固定配重块，用以减少离心力的材料变形及应力集中的特性；

所述有限元力学分析单元用于将建立好的狭小空间分块布置配重块及焊缝的模型导入有限元分析软件，对配重块及焊缝建模、划分网格、给定边界条件、调试并计算；

所述后处理路径映射单元用于对狭小空间分块布置配重块整体受力形变及焊缝的形变进行分析，以及对立面焊缝危险断面采用路径标记的方法进行计算。

一种狭小空间分块固定配重块的动力特性评估方法，包括以下步骤：

1)收集配重块的资料及机组的类型统计信息；

2)构建配重块及焊缝的真机模型，给定边界条件及材料属性，施加惯性载荷；

3)选择力学处理器，进行动力学分析；

4)通过单独拾取作用力添加后的焊缝，利用后处理模块提取焊缝的力学响应；

5)通过后处理模块对比狭小空间的分块固定及整块固定两种工况的实际动态效果，对两种固定方法的动态力学特性进行综合对比及评估。

所述的步骤1)的具体操作过程为：

收集配重块几何尺寸、连接方式、材质、发电机转速和电气参数资料。

所述的步骤2)的具体操作过程为：

21)使用三维建模软件根据配重块、焊缝的外形建立被试品的三维几何模型；

22)将配重块、焊缝模型导入有限元分析软件；

23)分别给定各部位材料密度，杨氏模量物理参数；

24)按照材料划分各部位网格，按照转速给定惯性载荷，

25)按照配重块实际安装截面设定固定约束特征面。

所述的步骤3)包括以下步骤：

31)设置求解参数；

32)选择static动力学处理器进行求解。

所述的步骤4)还包括如下步骤：

41)利用后处理位移云图判断整个配重块位移较大位置及变化趋势；

42)通过对焊缝的拾取，利用后处理云图判断位移及应力较大位置的危险点；

43)通过构建PATH路径，将焊缝中容易变形的部分特征点的动态参数映射到路径中，通过曲线对比各种固定工况的实际动态特征；

所述的步骤5)还包括如下步骤：

51)通过添加不同惯性载荷模拟不同转速的作用下，配重块焊接部分的实际动态效果。

52)通过后处理模块对比狭小空间的分块固定及整块固定两种工况的实际动态效果。

本发明的有益效果：

1、本发明中所述的动力学评估方法可以根据狭小空间针对性的对配重块添加方式在发电机启动前进行力学分析，可以在投运前发现缺陷，及早对危险点进行干预，避免由于动态特征参数变化而产生危险，避免固定失效而引起停机事故。

2、本发明采用三维建模、有限元分析和模态分析相结合的方法进行配重块的力学特性分析，分析的结果可以在位移及应力云图中得到直观的反应，另外借助PATH功能将围观路径的特征变化较为准确的通过曲线反应，分析结果全面、科学，可以为配重块添加的动力学分析、结构动力特性的优化设计提供依据。

3、本发明中所述的评估系统方法不局限于一种固定方式。它可以适应多种狭小空间采用不同的固定形式的应用。添加载荷方法清晰、准确性高。评估结果可以准确的反应配重块动力学的状态，为机组的动平衡试验的顺利实现提供可靠的依据。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为分块布置的配重块及焊缝的三维模型图。

图3为分块布置的配重块及焊缝添加载荷示意图。

图4为分块布置的配重块的位移云图。

图5为分块布置的配重块焊缝的位移云图。

图6为分块布置的配重块焊缝的路径位移曲线图。

图7为整块布置的配重块的位移云图。

图8为整块布置的配重块的焊缝路径位移曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明所述的立式水轮发电机配重块动力特性评估系统及方法由三维建模软件，有限元分析软件，力学分析单元，后处理单元组成。其中三维建模软件负责建立配重块及焊缝的几何模型；在此模型基础上导入有限元分析软件，对被试品建模、划分网格、给定边界条件、调试并计算。在后处理模块中对焊缝设置PATH，然后将元素映射到路径中，用曲线描述应力集中的反应。

参考图1，结合一起实例，本发明所述的配重块动力特性评估系统及方法，包括以下步骤，实际例子参数见表1。

1)收集配重块的资料及机组的类型统计信息，

2)构建配重块及焊缝的模型，给定边界条件及材料属性，施加惯性载荷，

3)选择力学处理器，进行动力学分析，

4)通过单独拾取作用力添加后的焊缝，利用后处理模块提取焊缝的力学响应，

5)通过后处理对比狭小空间分块及整块固定两种工况，分析焊缝及配重块在相同离心力作用下的位移特征。

由于狭小空间无法添加固定螺栓，且无法进行全接触断面焊接，因此对于带有立筋的狭小空间需要采用分块固定配重块的方式，用以减少离心力的材料变形及应力集中的特性。

步骤1)的具体操作过程为：

建立整块配重块模型尺寸为263×120×40mm的长方体配重块模型，以及贴近底部的一圈5mm的45°三角形焊缝。另外建立整块配重块模型尺寸为121.5×120×40mm的长方体配重块模型，以及贴近底部的一圈5mm的45°三角形焊缝。配重块及焊缝的主要参数见表1。

表1主要参数表

步骤2)的具体操作过程为：

21)使用三维建模软件根据配重块、焊缝的外形建立被试品的三维几何模型；

22)将配重块、焊缝模型导入有限元分析软件；

23)分别给定各部位选取密度为7800kg/m³，选取弹性模量2×10¹¹Pa，泊松比0.3等物理参数；

24)按照材料划分各部位网格，按照300r/min转速、添加半径1m的位置给定惯性载荷，

25)按照配重块实际添加截面设定固定约束特征面；

所建立的模型配重块及焊缝的三维模型图见图2，施加载荷后的模型图见图3。

步骤3)还包括以下步骤：

31)设置求解参数；

32)选择static动力学处理器进行求解；

步骤4)还包括如下步骤：

41)利用后处理位移云图判断整个配重块位移较大位置及变化趋势；

42)通过对焊缝的拾取，利用后处理云图判断位移及应力较大位置的危险点；

43)通过构建PATH路径，将焊缝中容易变形的部分特征点的动态参数映射到路径中，通过曲线对比各种固定工况的实际动态特征；

分块布置配重块位移响应云图谱如图4，焊缝位移响应云图谱如图5，危险路径位移响应曲线见图6。

步骤5)的具体操作过程为：

51)通过后处理对比狭小空间分块固定工况，分析焊缝及配重块在相同离心力作用下的位移特征，

52)通过后处理对比整块固定工况，分析焊缝及配重块在相同离心力作用下的位移特征，

整块固定配重块位移响应云图谱如图7，危险路径位移响应曲线见图8。

如图1所示：该方法首先将三维软件中建立的配重块和焊缝的模型导入有限元软件中，根据实际的布置特点，模拟狭小空间的分块布置形式的实际情况选取不动面和约束面；进一步，通过添加载荷模拟配重块在旋转设备上的惯性力添加效果，合理性的选择力学求解器进行求解；再进一步，利用后处理模块中的位移云图和应力云图找到位移最大的危险点，发现焊缝处上部的容易产生危险变形，通过添加测试路径并将特征信息映射到该路径中，通过PATH曲线观察危险断面的实际情况。

在配重块安装前，按照所示方法对配重块的动态特性进行了分析，经分析：狭小空间分块固定配重块的主要动力学特性是：配重块的离心端为位移最大位置，并带动焊缝产生位移，危险失效点位于焊缝的上部。配重块最大位移数值为0.135×10^-7m，焊缝最大位移数值为0.991×10^-8m。而整块固定配重块的动力学特征是：配重块的离心端为位移最大位置，并带动焊缝产生位移，危险失效点位于焊缝的中部。配重块最大位移数值为0.171×10^{- 7}m，焊缝最大位移数值为0.624×10^-8m。在相同离心惯性力的影响下，配重块采用分块布置形式比整块布置形式位移变化均在10％范围内。按照此结论，狭小空间的配重块采用分块布置形式，可以减少配重块位移，动力学效果与整块配重块的效果基本一致，因此该方法的应用有助于对各种分块布置形式的形变分析，也为优化焊接方案提供了一条可行之路。

所述三维几何模型与有限元力学分析单元中“建模”一样。划分网格利用前处理模块中Meshing模块，通过MeshTool中Element attributes中选取Volumes,Smart Size控制在“4”，选取四面体网格进行网格划分。由于机组为立式水轮发电机组，则配重块在Z方向固定，则在底部施加三个方向的固定自由度的边界条件。采用Solution中的Current LS计算模块进行计算。后处理中利用ELEMENT选择配重块或者焊缝，利用General Postproc模块中观察位移变形云图，找到位移变化最大值的位置。利用General Postproc模块中的PATH命令，在配重块中部焊缝处添加观察路径，将位移映射至该路径，通过曲线观察位移最大形变位置。

本发明中所述的方法在可以在制定配重方案后进行模拟，在启动前发现缺陷，及早消除缺陷，避免非必要停机事故；本发明采用三维建模、有限元分析相结合的方法进行动力学特性分析，分析的参数包括每一个配重块的位移形变最大位置及数值、焊缝位移最大位置及数值，分析结果全面、科学，可以为动平衡的振动故障诊断及配重块动力特性，优化配重块添加方式提供依据；本发明中所述的评估系统采用动力学分析情况进行评估，结合整块布置方法进行计算，准确性高，评估结果可以准确的反应动态运行状态，为机组的稳定运行和状态检修提供准确的依据。可以为各种类型的立式水轮发电机添加配重块的方案优化，也可以推广到各种立式旋转机械配重块的动态特性评估当中。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

如图3所示：将配重块、焊缝模型导入有限元分析软件。分别给定各部位材料密度，杨氏模量，弹性模量等物理参数。按照材料划分各部位网格，按照300r/min转速、添加半径1m的位置给定惯性载荷，按照配重块实际添加截面设定固定约束特征面。

如图4所示：利用后处理位移云图判断，配重块的离心端为位移最大位置，并带动焊缝产生位移，危险失效点位于焊缝的上部，配重块最大位移数值为0.135×10^-7m。

如图5所示：通过对焊缝的拾取，利用后处理云图判断分块布置配重块的焊缝位移较大位置的危险点，发现整个焊缝的位移最大处是焊缝上部，最大位移数值为0.991×10^{- 8}m。

如图6所示：通过构建PATH路径，将焊缝中容易变形的部分特征点的动态参数映射到路径中，通过曲线对比两种固定工况的实际动态特征。

如图7所示：利用后处理位移云图判断，整块焊接配重块位移较大位置及变化趋势，发现整个配重块的位移最大处从主要集中于配重块的两侧，最大位移数值为0.171×10^-7m。

如图8所示：通过对焊缝的拾取，利用后处理云图判断添加定位螺栓的配重块的焊缝位移较大位置的危险点，发现整个焊缝的位移最大处是焊缝中心线，最大位移数值为0.624×10^-8m。

Claims (7)

1.一种狭小空间分块固定配重块的动力特性评估系统，其特征在于，包括三维建模单元，有限元力学测试分析单元和后处理路径映射单元；

所述的三维建模单元负责建立立针对狭小空间分块布置的配重块及焊缝的三维几何模型；对于带有立筋的狭小空间需要采用分块夹紧固定配重块，用以减少离心力的材料变形及应力集中的特性；

所述有限元力学分析单元用于将建立好的狭小空间分块布置配重块及焊缝的模型导入有限元分析软件，对配重块及焊缝建模、划分网格、给定边界条件、调试并计算；

所述后处理路径映射单元用于对狭小空间分块布置配重块整体受力形变及焊缝的形变进行分析，以及对立面焊缝危险断面采用路径标记的方法进行计算。

2.根据权利要求1所述的一种狭小空间分块固定配重块的动力特性评估系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)收集配重块的资料及机组的类型统计信息；

2)构建配重块及焊缝的真机模型，给定边界条件及材料属性，施加惯性载荷；

3)选择力学处理器，进行动力学分析；

4)通过单独拾取作用力添加后的焊缝，利用后处理模块提取焊缝的力学响应；

5)通过后处理模块对比狭小空间的分块固定及整块固定两种工况的实际动态效果，对两种固定方法的动态力学特性进行综合对比及评估。

3.根据权利要求2所述的一种狭小空间分块固定配重块的动力特性评估方法，其特征在于，所述的步骤1)的具体操作过程为：

收集配重块几何尺寸、连接方式、材质、发电机转速和电气参数资料。

4.根据权利要求2所述的一种狭小空间分块固定配重块的动力特性评估方法，其特征在于，所述的步骤2)的具体操作过程为：

21)使用三维建模软件根据配重块、焊缝的外形建立被试品的三维几何模型；

22)将配重块、焊缝模型导入有限元分析软件；

23)分别给定各部位材料密度，杨氏模量物理参数；

24)按照材料划分各部位网格，按照转速给定惯性载荷，

25)按照配重块实际安装截面设定固定约束特征面。

5.根据权利要求2所述的一种狭小空间分块固定配重块的动力特性评估方法，其特征在于，所述的步骤3)包括以下步骤：

31)设置求解参数；

32)选择static动力学处理器进行求解。

6.根据权利要求2所述的一种狭小空间分块固定配重块的动力特性评估方法，其特征在于，所述的步骤4)还包括如下步骤：

41)利用后处理位移云图判断整个配重块位移较大位置及变化趋势；

42)通过对焊缝的拾取，利用后处理云图判断位移及应力较大位置的危险点；

43)通过构建PATH路径，将焊缝中容易变形的部分特征点的动态参数映射到路径中，通过曲线对比各种固定工况的实际动态特征。

7.根据权利要求2所述的一种狭小空间分块固定配重块的动力特性评估方法，其特征在于，所述的步骤5)还包括如下步骤：

51)通过添加不同惯性载荷模拟不同转速的作用下，配重块焊接部分的实际动态效果。

52)通过后处理模块对比狭小空间的分块固定及整块固定两种工况的实际动态效果。

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