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1、an SYS在水电站固卷机架结构设计中的应用ANSYS在水电站固卷机架结构设计中的应用摘要：针对糯扎渡水电站2x 800 k N固定卷扬机的设计要 求，分析固卷机的计算工况及计算载荷，用ANSYS软件建立SHELL63弹性壳单元模型，对金属结构的连接、约束、载荷进 行有效处理，对固卷机架的应力、变形进行有限元计算，并对机 架进行了模态分析，为结构系统的振动特性分析、振动故降诊断 和预报以结构动力特性的优化设计提供依据.关键词：固卷；ANSYS ;应力；变形；有限元；模态分析1综述2 x 800kN尚定卷扬机是用于糯扎渡水电站的启闭机械设 备，需在满足固卷的强度、刚度、稳定性的条件下，减轻钢结构
2、 的自重.笔者用ANSYS软件建立了 SHELL63弹性壳一单元模 型，结合实际结构，对金属结构的连接、约束、载荷进行合理的 处理，计算出机架的应力和变形，并对机架进行了模态分析。ANSYS是一种运用广泛的通用有限元分析软件，它是集结 构、热、流体、电磁场、声场和藕合场分析于一体的大型通用有 限元分析软件，涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木、 建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域。由于ANSYS软件具有建模简单、快速、方便的特点，因而成为大 型通用有限元程序的代表.ANSYS软件的主要功能包括建立模 型、结构分析、非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、接 触分析、压电
3、分析以及结构优化等.ANSYS软件主要包括3个部 分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。2固卷机架建模一个结构，特别是对于复杂结构，可以有多种建模方案，要合理选择方案，既要满足精度要求。又要节省时问，降低工作量， 并使计算结果直观化，机架有限元模型建立的是否合理将直接影 响计算结果的正确性。因此，建立能够确切模拟实际系统的模型 是整个分析过程的关键。用 ANSYS软件建立了 SHELL63弹性 壳单元模型，结合实际结构。对金属结构的连接、约束、载荷进 行合理的处理，计算出机架的应力和变形， 并对机架进行模态分 析。模型建立的依据为机架设计的原始尺寸，机架模型如图所示。3机架结构静力分析3.
4、1工况及约束处理工况：机架在固定位置处起吊 800kN额定载荷，约束：机架 下端4个角位置处有4块垫板，垫板受到铅垂方向（y向）的支撑 位移约束和X向的位移约束，靠右侧的 z块垫板受到Z向的位 移约束其余所有的节均为自由节点3.2计算荷载主要考虑机架的结构自重、起吊载荷及其动载效应.a，机架自重钢板密度取 7.8 x 10A3kg/mA3b，起吊荷载通过钢丝绳作用在轴承座支座、定滑轮支座、平衡滑轮位置处；c.通过起升荷载乘以动力放大系数来考虑起升荷载的动载效应，其中起升制动加速度按照0.1m/sA2考虑。计算结果表明:机架的大部分板件（边梁、定滑轮梁、平衡滑 轮梁）的折算应力计算值在lOOMp
5、a以下，小于材料的许用应力 值（7=230 MPa，定滑轮梁的Y向变形最大值为0. 57 mm ,小于 许用值2 450/2 000 = I . 23 （ mm ）.因此，整个机架计算应力值 和变形均小于钢材的设计许用值，满足强度和刚度要求，应力和 变形满足规范要求，其设计的安全系数较大，从应力分析角度看， 材料抵抗破坏的能力大综合评价：机架设计趋于保守。能在危险 工况下安全工作，而且具有较大的优化空间，可通过结构优化来 合理、经济地使用材料4机架模态分析模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性，即结构的固有频率和振型.它们是承受动态载荷结构设计中的重要参 数，也可以作为其它动力学分析问题
6、的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态 叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程，模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提 供依据.5结语A建立了固卷机架结构的整体壳单元模型，对载荷的施加 , 结构件之间的连接及约束根据实际结构作了适当处理， 避免了局 部计算应力过大与实际情况不相符的现象；B分析了机架工作过程中的工况及其承受的载荷，进行了强度与刚度计算；C对固卷机架进行了模态分析。通过ANSYS软件建立固卷机架模型并对之进行有限元分析，是一种行之有效的结构设计和验证
7、方法，在机架结构设计中起到非常重要的作用。E可u沖alent StressTyps； Eduvalent (vor-Mises) Stress Unit! PaTine: 12011-11-22 23:349.D-424elD 日,397101 口 7.751fiel0 7.1065el0 6.4512610 5,ei59el05.17056104.52526103.S799elO3,234fel02,5993810 1.9439610 1.2986el06.5331e9 7.9B77e7 Fn折算应力lotal OFtormaition Type： To和 Defamation Freque
8、ncy: 0- Hzm201M1-22 23:37 2306.1 Max2063.118131573132B1032.963X88I 347.B1J HJ乙7B 耳In.001 (m)0.00050.00025Z机架1阶固有频率及变形Total DFtormaitian Type： To和 Defamation Frequency: 0- Hz 51 m201M1-22 23：3B1B52.8 MaK154B.21443.51338,91234.31129.61025goo.%815.73711.1 伽Total OetnirrnationType： Totd DeiumaricnFrecue
9、ncy: 0- HzLTit- m201M1-22 23：3B 1754 Max1603.71453,4130311152.8一 UDQ2.5652-22.701.92 551.62Wiaz lln00.0005.001 (m)0.0D0250-CKJ75机架3阶固有频率及变形lotal OetrarmationType： Totai Defcrmation Frequency: 0-B037 Mz Uht- m201M1-22 23:39 2129.1 Max1945.91762.61579,3U班11212.E：1029.6B46.31663.D5 175.79 Fn00.0005D.00
10、1 (m)0.000250-DOD750.00025O.GOJ750.000250.COT75Total Dptormatinni Type： TqR Defamation Frequency: 1091 Hz Uht： m201M1-22 23:39 2002 Mast 1824 同-1645.8H6721238.7111D.1931-51.7S2.95.574.38I 3951 耳In机架5阶固有频率及变形Total DptormationiType： TqR Defamation Frequency: 1-521 Hz Uht- m2011-11-22 23:39229G.1 Max20
11、66.31836.61606,91377.11147.4917.656S7.458.1S2265 耳inlotai OetormatinnType: Tq忖 DefamationFieguercy: 1 45E9e+005 Hz Uht： m201M1-22 23：4D 1967.9 Max176B.21548.613291W9.2涯156&59-9.450.23J 230.35J 10.69 llna0,00035aa5 _o.mouso coim)机架7阶固有频率及变形lotal DetormatinnType: Totd DeftxmatioriF/equercy: 17552b+005
12、 HzUht- m2011-11-22 23：41295-4.8 Max3627.12293.41971716441316.3969-62660.0(2333.335.534B 耳in0zo coi (m)D.00DSD.CDQ75Total OetrarmationType: Totd DeftxmationFreqjency: 53e+0O5 HzUht- m201M1-22 23:413539.13H1.72694,322471799.61352.2004.86457.51D.13L5 耳InO.OODSoggs0.CDD750 C01 (m)7机架9阶固有频率及变形Total OetrarmatinnType: Tu忖 Defamation Frecuency: as內Be+GOs Hz Uht- m201M1-22 23:41 5B59.8 Max52QB.9-1558.13907.32256.4一 3605.6195.7.13Q3*旨 653.D22.17U5 IIH0.D005D.ooi (m)0-00025O.CD075参考文献1 龚曙光.ANSYS工程应用实例解析M.北京:机械工业出版 社,2003.2 伍义生，吴永礼.有限元法教程（第二版）M.北京:电子工业出 版社，2003.叶先磊，石亚杰.ANSYS工程分析软件应用实例M.北京：清 华大学出版社,2003.
