水電站啟閉機卷筒有限元分析應(yīng)用及實踐

杜興

（中國葛洲壩集團機械船舶有限公司，湖北 宜昌 443007）

0 引言

目前，隨著計算機技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于水工領(lǐng)域，利用現(xiàn)代設(shè)計方法對一些在卷筒設(shè)計研究中無法計算解決的問題，也找到了新的計算分析方法，以往一些復(fù)雜的手工計算過程，甚至誤差較大的問題，現(xiàn)在也可以做進一步的精確研究了。根據(jù)水電站啟閉機卷筒結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，選擇ANSYS軟件作為本文的有限元分析軟件，將會提高啟閉機的設(shè)計手段，克服以往靠傳統(tǒng)計算方法和經(jīng)驗的設(shè)計狀態(tài)，減少設(shè)計誤差，提高設(shè)計效率和設(shè)計精度。

1 卷筒有限元模型建立及計算分析

為了準確反映卷筒的各部分的應(yīng)力分布情況，我們首先將根據(jù)卷筒的實際結(jié)構(gòu)，建立實體模型，劃分有限元網(wǎng)格，然后根據(jù)受力特點和約束情況，施加邊界條件和外載荷，最后使用ANSYS軟件進行求解計算。

1.1 卷筒模型簡化

因計算機資源有限，在建模過程中，要進行模型的簡化，模型要反映卷筒實際結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，簡化一些對計算結(jié)果影響不大的特征，以減少劃分網(wǎng)格的數(shù)量，提高計算速度。

圖1 卷筒結(jié)構(gòu)圖

啟閉機卷筒結(jié)構(gòu)如圖1所示,其主要參數(shù)如表1所示。

因為啟閉機卷筒多屬于焊接殼結(jié)構(gòu)，在有限元模型簡化時，我們將卷筒和鋼繩做如下假設(shè)：卷筒是封閉的薄壁圓柱殼，材料均質(zhì)，各向同性，將鋼絲繩對卷筒的壓力均勻分布在鋼絲繩與卷筒的接觸寬度上。

表1 卷筒主要技術(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 邊界條件的處理

上述卷筒結(jié)構(gòu)左端通過卷筒軸（短軸）支承在滾動軸承座上，右端與卷筒聯(lián)軸器相連，由于鋼絲繩在卷筒上纏繞處離兩端各有一段距離，在實際工作中，左右兩端變形很小，在此將兩端作為邊界條件，進行約束，對左端進行固定約束，右端允許軸向移動，約束其它兩個方向。

1.3 載荷的施加

根據(jù)卷筒的受力狀況，鋼絲繩對卷筒的作用力主要有3個：1）受到一定張力的鋼絲繩纏繞在卷筒外壁，帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，對卷筒轉(zhuǎn)動中心產(chǎn)生扭矩；2）把卷筒簡化為一簡支梁，當(dāng)鋼絲繩的拉力作用在卷筒上后，會產(chǎn)生彎矩；3）把鋼絲繩在卷繞時對卷筒筒壁產(chǎn)生的緊箍作用看作成一個均勻的壓力，并作用于筒壁上。

圖2 光卷筒網(wǎng)格劃分及施加載荷

1.4 卷筒筒殼的有限元計算分析

1.4.1 光筒筒殼的有限元計算分析

1）材料設(shè)置與網(wǎng)格劃分。本例中的卷筒使用Q345B鋼板卷制而成，塑形材料,模型單元選用SOLID45實體單元，在劃分網(wǎng)格過程中，在卷筒的敏感區(qū)域或危險部位進行細化，滿足分析精度要求，且單元數(shù)不至于過多，這樣不僅滿足計算的精度要求，而且還節(jié)省了計算時間。

2）加載及求解（如圖 3、圖 4）。

圖3 光卷筒筒殼應(yīng)力分布圖

圖4 光卷筒筒殼變形圖

1.4.2 帶繩槽卷筒筒殼的有限元計算分析

本例以圖1所示卷筒結(jié)構(gòu)為例進行分析，卷筒相關(guān)尺寸為：槽底直徑Φ=1 258 mm；繩槽高度h=12 mm；繩槽節(jié)距t=35 mm。

按照卷筒的尺寸，筒殼上左右對稱各布置37圈繩槽，我們在ANSYS軟件中建立具有74圈繩槽的有限元模型，然后加載分析計算，其計算過程同上，比較分析帶繩槽卷筒同光卷筒的應(yīng)力。

圖5 繩槽卷筒網(wǎng)格劃分及施加載荷

為同上述光筒比較計算結(jié)果，選用的材料也為Q345，根據(jù)尺寸建立有限元模型和劃分網(wǎng)格，加載及求解如圖6、圖7所示。

2.4.3 計算分析

1）傳統(tǒng)理論分析。我們以圖1所示的卷筒結(jié)構(gòu)為例來說明：啟閉力100 t，吊具自重11 t，考慮動載系數(shù)后，合計總載荷為122.1 t，因滑輪組倍率為4，共8根鋼繩承擔(dān)載荷，所以計算所得單根鋼絲繩的最大靜拉力Smax=122.1/（8×0.925）=16.5 t，根據(jù)此最大靜拉力，纏繞繩表面壓力荷載ρ=Smax/（0.5D·t）=7.3 MPa，另通過計算，卷筒扭矩0.212 85×109N·mm，最大彎矩 0.254 721×109N·mm。根據(jù)啟閉機設(shè)計規(guī)范及力學(xué)公式，計算得到：彎曲正應(yīng)力σx=9 MPa；扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 τ=3.5 MPa；卷筒壁壓應(yīng)力 σp=201 MPa。

根據(jù)上面的計算結(jié)果可以看出，卷筒所承受的彎曲荷載和扭轉(zhuǎn)荷載很小，而卷筒壁的壓應(yīng)力為2 000 Pa比較大，小于啟閉機設(shè)計規(guī)范上規(guī)定的許用壓應(yīng)力［σp］（［σp］=σs/1.5=216.7 MPa）。

圖6 繩槽卷筒筒殼應(yīng)力分布圖

圖7 繩槽卷筒筒殼變形圖

2）有限元計算分析。圖1所示卷筒經(jīng)建模，劃分網(wǎng)格，施加邊界條件及載荷的過程，得出計算結(jié)果如表2所示。

表2 光卷筒和帶繩槽卷筒應(yīng)力比較表

通過以上分析，可以看出，帶繩槽的卷筒強度應(yīng)力比光卷筒的應(yīng)力明顯降低，繩槽可以降低筒壁的應(yīng)力，因此在今后的卷筒設(shè)計中，可以適當(dāng)考慮繩槽處凸筋的承載能力，使卷筒壁厚減小，降低成本，提高經(jīng)濟效益。

2 結(jié)語

實踐證明，利用現(xiàn)代設(shè)計方法將卷筒設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)設(shè)計的模型，然后選擇適當(dāng)?shù)默F(xiàn)代設(shè)計計算方法，通過計算機求解。它是保證啟閉機具有優(yōu)良的性能、減輕重量或體積、降低成本的一種有效設(shè)計方法，這不僅滿足目前水電工程項目的市場需求，同時也能為國家節(jié)約投資、降低能耗。