贯流式水轮机管形座强度分析与优化设计

摘要

水轮发电机组是利用水力发电的关键设备。灯泡贯流式水轮发电机是开发低水头水电资源的优良机型。随着我国国民经济的飞速发展，开发低水头水力资源已经势在必行。对于贯流式水力发电机组的开发，我国起步较晚，机型以引进为主，多采用传统设计方法。 应用有限单元法理论和优化设计思想，并结合高级有限元分析软件ANSYS和大型工程分析软件Pro/E进行贯流式水轮发电机组的强度分析与优化设计，对于提高其设计水平和生产效率将会大有裨益。 本文运用有限单元法和优化设计理论，结合大型工程设计软件Pro/E和高级有限元分析软件ANSYS，对灯泡贯流式水轮发电机组的关键部件管形座进行了静力强度分析和优化设计的研究性工作。 第一，根据水轮发电机组管形座的实际结构，应用大型三维实体建模软件Pro/E 构建其三维实体几何模型，并通过忽略相对细小的结构，达到简化模型的目的。又根据有限元分析的具体需要，对管形座模型进行必要的修改，省略了两端法兰上的孔型结构。然后，将几何实体模型导入到有限元分析软件ANSYS 中进行有限元分析的前处理，构建出以十节点四面体单元为基本单元的有限元计算模型。 第二，使用高级有限元分析软件ANSYS 对管形座的参数化模型进行了静力强度分析，得出了管形座的应力分布和变形状态。分析结果表明：应力比较大的区域主要集中在管形座的锥壳和两端的过人孔。通过与材料应力的屈服极限的对比，发现管形座的各部分还有较大的强度储备；管形座在各种载荷的综合作用下，满足强度要求。 第三，对管形座的有限元静力强度分析表明：最大应力值远小于材料的许用应力，有必要进一步开发材料的潜力。在对管形座进行参数化建模后，确立管形座的优化设计变量和优化状态变量，以及优化分析目标函数，然后进行优化设计。分析结果表明: 对管形座的参数化模型进行优化设计后，在满足使用要求的前提下，管形座的应力应变分布更加均匀合理，充分挖掘了材料潜力，达到了减轻重量，降低成本的优化目的。 通过对管形座的研究分析，为以后该型水轮发电机组的整机及其它零部件的有限元分析与优化设计奠定了一定的基础，也为ANSYS应用于其他水力发电设备的有限元分析与优化设计起到了指导作用。