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水轮发电机负荷机架结构静力学有限元分析

摘 要 介绍东风电机厂计算机中心利用PTC软件公司Pro/Mechanica中的Structure部分，结合有限元分析法知识，对水轮发电机负高度尺荷机架实际工况下的刚度、强度及应力变形进行较详细的分析，使得负荷机架的设计更加经济、合理。

摘 要 介绍东风电机厂计算机中心利用PTC软件公司Pro/Mechanica中的Structure部分，结合有限元分析法知识，对水轮发电机负荷机架实际工况下的刚度、强度及应力变形换言之进行较详细的分析，使得负荷机架的设计更加经济、合理。

关键词 负荷机架；有限元分析；最大应力；最大变形

1引言

负荷机架是水轮发电机承受高载荷的关键件，其尺寸大、重量重，设计中既要关注它的应力分布、变形情况，又要合理用材，优化设计。东风电机厂利用PTC软件公司的Pro/Mechanic生物医用材料的利用拓展到可穿着装备、个性化植入物、精准医疗等新领域a中的Structure部分，采用P单元划分格技术，为负荷机架的静力学结构设计提供了便捷、准确、科学的计算手段。

2有限元计算模型及载荷处理

该负荷机架主要由机架中心体、上下圆板、8条支臂组成，其立体模型见图1、图2。由于其关于中心轴线旋转对称，所以取整个负荷机架的八分之一部分模型进行刚度、强度结构静力学有限元分析，计算出整个负荷机架的变形及应力分布规律。

该机架为钢板组焊结构，形状比较规矩，可采用壳单元来求解。为了简化，取消支撑垫板的支撑板以及所有的油水管路，大力筋上忽略起吊孔，内外合缝板不考首饰盒虑它们相互间的变形而视为一块整板。由于是对一个支腿进行分析，为了使计算结果代表整个模型，在模型的切面上要施加约束。

其基本数据如下：

负荷机架轴向载荷5880kN；

结构用材：q235，屈服强度σs＝210～240MPa;

比重γ＝7820kgf／m3;

弹性模量E＝2.068×10.5MPa;

波松比v＝0.29

参考温度为21.85℃。

3主要计算结果

(1)首先对原始结构方案进行了分析计算，图3为原始结构在承受轴向载荷时的应力分布图。从图中可以看出，在垫板1与下翼板结合处的应力值较大，同时大立筋I处的应力值也较大，其最大应力值为147。86MPa.

(2)为了确保高密负荷机架的安全、可靠，对原始方案进行了改动。在原始结构基础上将垫板加长60mm，以躲济南试金作为实验机这类仪器的生产厂家也是致力于能够突破重重窘境开受力支点，在大立筋应力集中处加一对加强板。由图4可知，应力值已经降到75.089MPa，更改达到预期目的。

(3)由改造方案结果可知最大应力值偏小，设计显得太保守。为此，又一次对该负荷机架进行优化分析，使其材料利用率大大提高，做到“好钢用在刀刃上”。图5是优化运动手套方案应力分布图。由图可知，其最大应力值提高到80.657MPa，在设计规范之内。下表是几个方案的经济性比较。

(4)图6、7、8是各方案的受力变形分布图，其中以优化方案的变形值最大,为1.3048,小于1.5，但仍在规定范围内。

(5)图9、10、11是各方案大立筋的应力分布图。通过在大立筋上增设一块加强板，解决该处应力偏大的问题，也为优化该负荷机架奠定了基础。

(6)通过各方案的比较，优化方案在强度和刚度上均满足设计要求。在强度上，优于原始方案。同时，优化方案较原始方案节约钢材9.376t，是一个经济、合理的方案。

4结论

采用本文提供的方法可对水轮发电机负荷机架进行刚度、强度分析，所列举的负荷机架已成功运行一年有余。实践证明该方案是可行的，另外也说明采用Pro/Mechanica软件中的Structure部分是能够分析该类大型结构件，其分析结果能够指导机架的结构设计。(end)

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