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灯泡贯流式水轮发电机组主轴的静动态有限元分析

作　者: 韩旭
导　师: 王守信
学　校: 河北工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 贯流式水轮发电机组主轴有限单元法静力强度分析振动模态分析 MSC. NASTRAN UG
分类号: TK730
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

水轮发电机组是水力发电的关键设备。灯泡贯流式水轮机是开发低水头水力资源的优良机型。随着我国国民经济的发展，在经济发达的沿海地区和平原地区可开发的水力资源中，中高水头电站已逐步开发完毕。为适应经济飞速发展对电力的需求，开发低水头水力资源已提到了议事日程。由于我国开发贯流式机组较晚，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大型工程分析软件进行贯流式水轮发电机组的设计与开发，对于提高其设计水平和生产效率将是大有裨益的。本论文运用有限单元法和模态分析理论，结合大型商业化工程分析软件UG和MSC.PATRAN/NASTRAN对灯泡贯流式水轮发电机组的关键部件之一——主轴进行了静力强度分析和振动模态分析。首先，根据机组主轴的实际结构，应用大型三维实体几何建模软件UG建造其三维实体几何模型，省略相对细小的结构，简化模型。又因有限元分析的需要，将主轴模型分成三个部分，并省略法兰盘上的孔型结构。将几何模型导入到并行框架式有限元前后处理及分析系统MSC.PATRAN做有限元分析的前处理，构建了以十节点四面体单元为基本单元的有限元计算模型。同时，应用RBE3刚性单元以及MPC多点约束来模拟法兰盘上螺栓传递的分布载荷，使主轴的加载更符合实际情况。其次，使用大型有限元软件MSC.NASTRAN对主轴的物理模型进行了静力强度分析计算，得出了主轴的应力分布和变形状态。分析结果表明：在由法兰盘向轴身过渡的轴段应力较大，而且比较复杂，通过对比材料的屈服应力极限，还有较大的强度储备；主轴在各种静载荷作用下，满足强度要求。第三，在总结主轴发生振动的原因的基础上，应用大型有限元软件MSC.NASTRAN对主轴的振动模态进行分析。在计算频段0—300Hz范围内，得到了六阶振动模态，对应有六个固有频率和六个固有振型。经分析可知，在计算频段内，未发生整个主轴各部分同时振动的情况，多是局部的振动，而且多是弯曲振型。在机组运行的正常工作范围内，主轴发生共振的可能性是很小的。通过对主轴的研究分析，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以及动力响应计算奠定了一定的基础。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-7
第一章绪论  7-15
  §1-1 水轮发电机应用与发展概述  7-8
    1-1-1 水轮发电机与水能资源利用  7
    1-1-2 水轮发电机的发展趋势  7-8
  §1-2 贯流式水轮发电机的应用  8-10
    1-2-1 灯泡贯流式机组的发展历史与概况  8-9
    1-2-2 灯泡贯流式机组的优点  9
    1-2-3 国内外贯流式水轮发电机组的发展水平和差距  9-10
  §1-3 本课题的研究意义与方法  10-13
    1-3-1 本课题研究的意义  10-11
    1-3-2 本课题采用的研究方法  11-13
  §1-4 本课题的主要研究内容  13-15
    1-4-1 研究对象的结构简况  13-14
    1-4-2 本论文的主要研究内容  14-15
第二章水轮发电机组主轴的几何建模  15-22
  §2-1 UG概述  15-18
    2-1-1 UG建模的主要功能模快  16
    2-1-2 UG建模的主要优点  16-17
    2-1-3 UG的建模方法概述  17-18
  §2-2 主轴的几何建模  18-21
    2-2-1 主轴的基本结构状况  18
    2-2-2 主轴的几何建模过程  18-20
    2-2-3 主轴几何模型的再修改  20-21
  §2-3 小结  21-22
第三章有限单元法和有限元分析软件NASTRAN  22-36
  §3-1 弹性力学基本方程  22-24
    3-1-1 弹性力学的基本量  22
    3-1-2 外力与内力的关系——静力平衡方程  22-23
    3-1-3 位移与应变关系——几何方程  23
    3-1-4 应力与应变关系——物理方程  23-24
  §3-2 有限单元法  24-28
    3-2-1 有限元法的基本概念及发展应用  24-25
    3-2-2 有限单元法基本思路和解题步骤  25-28
  §3-3 有限元法分析软件NASTRAN  28-35
    3-3-1 有限元法分析软件概述  28-29
    3-3-2 有限元法分析软件MSC．NASTRAN  29-32
    3-3-3 前后处理系统MSC．PATRAN  32-35
  §3-4 小结  35-36
第四章水轮发电机组主轴的静力强度分析  36-52
  §4-1 主轴物理模型的建立  36-44
    4-1-1 主轴模型基本假设  36
    4-1-2 主轴三维几何模型的导入  36-37
    4-1-3 单元类型的选择  37-41
    4-1-4 主轴模型的单元划分  41-42
    4-1-5 主轴材料属性  42
    4-1-6 主轴的约束  42-43
    4-1-7 主轴的载荷  43
    4-1-8 物理建模小结  43-44
  §4-2 主轴的静力强度计算和结果分析  44-51
  §4-3 小结  51-52
第五章水轮发电机组主轴的振动模态分析  52-64
  §5-1 水轮发电机组振动原因  52-53
  §5-2 振动模态分析  53-57
    5-2-1 模态分析理论  54-56
    5-2-2 模态分析的有限单元法  56-57
  §5-3 主轴的有限元振动模态分析  57-58
  §5-4 计算结果及分析  58-63
  §5-5 小结  63-64
第六章结论及展望  64-66
参考文献  66-69
致谢  69

灯泡贯流式水轮发电机组主轴的静动态有限元分析

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