1、2015 年秋季学期能源动力工程进展结课论文论文题目：水电站厂房应力分析姓名： 丁少超学号：142085214006专业：水利工程学院：能源与动力工程学院日期：2016 年 1 月 8 日水电站厂房应力分析摘要: 水电站厂房的任务是通过一系列的工程措施，将压力水流平顺地引入水轮机，把水能转变为机械能，并带动发电机把机械能变为电能，再经过主变压器升压后由输电线路分送到电网中去。因此，在厂房中必须安装各种机电设备并合理解决这些设备的布局和相互之间的关系，为设备的安装、调试、运行、检修创造条件，也给运行人员建立良好的工作环境，所以水电站厂房既是水工建筑物和机电设备的综合体，又是运行人员活动和生产电能
2、的场所。关键词：水电站；应力分析；有限元；ANSYS1.研究背景及意义电力工业是国民经济的基础工业，也是工农业生产的先行工业，对国民经济的发展和人民生活有着十分重要的作用。目前的电力系统中，电力生产主要依靠水电站、火电站和核电站。水力发电与火力发电、核能发电相比有许多突出的优点 1。水电大开发不仅为我国的工农业生产提供了重要能源，而且有力地缓解了燃煤引起的污染问题(每年 2430 108kWh 的水电相当于少燃原煤1.2 108t)。同时，还促进了航运、旅游、水产等项目的发展。大型水电站还兼有防洪、灌溉、供水等综合功效 2。我国水能资源丰富，理论蕴藏量为 6.67 108kW，可开发资源为3.
3、78 108kW，年发电量 19200 108kWh，三项指标均列世界首位。但是与欧美等发达国家，巴西、埃及、印度等发展中国家相比，我国的水电开发利用率还处于较低的水平，水力资源开发潜力巨大。经济的高速发展对能源的需求日益加大，伴随着西电东送、西部大开发战略的实施，我国的水电开发事业进入了一个高速发展的阶段。陆续投入使用的水利发电工程，势必对我国防洪、灌溉、供水等利民事业的推进、对国民经济的发展起到不可低估的重要作用 3-6。水电站厂房的任务是通过一系列的工程措施，将压力水流平顺地引入水轮机，把水能转变为机械能，并带动发电机把机械能变为电能，再经过主变压器升压后由输电线路分送到电网中去。因此，
4、在厂房中必须安装各种机电设备并合理解决这些设备的布局和相互之间的关系，为设备的安装、调试、运行、检修创造条件，也给运行人员建立良好的工作环境，所以水电站厂房既是水工建筑物和机电设备的综合体，又是运行人员活动和生产电能的场所 1,7-9。在国民经济和科学技术水平逐渐提高的前提下，在当前能源危机日益严重的情况下，水电站建设飞速发展，对于水电站应力分析工作也越来越受重视。10水电站厂房作为水工建筑最为复杂的建筑物之一，其应力分析相对于大坝来说研究较少，水电站厂房的应力分析和研究，无论是从水电站初期建设，还是后期运行都能起到保证作用。2.国内外研究现状随着有限元技术的发展，人们利用有限元软件对水电站大
5、坝及厂房进行了很多的数值模拟，从不同的角度，对大坝和厂房以及水轮机、蜗壳做了大量的研究工作。1998 年，李正农，杨世浩等为了研究混凝土重力坝厂房坝段的发电引水管道入口形式，建立单孔口和双孔口两种方案的进水坝段三维有限元模型，论文从结构抗震的角度对单、双孔口的两种方案进行动力有限元分析、研究，比较了两种方案的优缺点，得出了一些有意义的结果 11。2003 年，杜丽惠，邓良军等采用考虑接触的三维有限元方法，对水口水电站典型坝段（3 号坝段）厂房和大坝的应力变形及它们通过联接接缝的相互作用情况进行了数值模拟，揭示了上下游水压力作用下接缝的接触和传递推力的规律，从而为评价该接缝对厂房应力和稳定性的影
6、响提供了依据 122005 年，位敏在硕士论文中，采用 ANSYS软件建立三维有限元模型，结合金安桥水电站工程实例，模拟复杂岩基条件下对厂房坝段进行有限元模拟，采用两种模型对比计算分析了动力特性和在地震作用下的动力响应及其分布规律，并在此基础上对坝体的抗震安全进行了深入的探讨和研究。 13同年，唐碧华在其硕士论文中，采用 ABAQUS 软件建立三维有限元模型，对龙滩水电站进水口坝段几个典型工况进行了静动力分析。邹德兵，张建海等结合土卡水电站的工程实例，建立三维有限元模型，考虑厂房坝段以及坝后式厂房的整体结构应力和稳定性分析。土卡水电站为河床式电站，大坝和厂房底板联成一体，共同挡水。论文以一个机
7、组段作为计算对象，采用数值模拟方法进行了各种控制工况下的静力计算以对厂房坝段整体结构的变位、受力情况作全面的了解。核算厂房坝段的整体稳定性和抗浮稳定性为施工详图设计提供依据。2007 年，孙大伟，田斌结合思林水电站的工程实例，为论证岸坡坝段的坝体与坝基排水设计的合理性，为稳定分析、应力分析提供渗流荷载计算参数，采用三维渗流有限元方法对正常蓄水位、校核水位情况下岸坡坝段的坝体和坝基进行了计算分析。2008 年肖琴在对高耸塔体结构进行流固耦合分析时候，对水体分别采用Westergarrd17附加质量法和 Hosuner18简化模型进行了对比分析。在对大坝-库水耦合的研究中，陈江，张少杰，闵兴鑫采用
8、 ANSYS 中的声学流体单元模拟库水，对某重力坝进行了大坝-库水耦合分析，并与 ADINA 的计算结果和计算效率进行了对比。国外的水电站建设起步较早，发展较好，日本、西欧等一些抽水蓄能电站建设较发达的国家可逆式机组的制造精度、振动噪音控制、机组和支撑结构的动力响应等都哟比较深入的研究。1984 年日本学者，青柳茶，五味义雄对高水头、大容量化的电站在稳定运行时圆筒形机墩及厂房板梁结构振动问题的研究成果进行了归纳总结。1995 年 Lvov A.V.讨论了水电站厂房结构以及坝和机组结构中的振动波的性质，指出引起结构振动最主要的是瑞利波。1996 年 BBUCHMAIER H 等人对高水头抽水蓄能
9、电站的过客、尾水管结构优化和厂房结构设计，包括各种结构厂房的动态特性，进行了分析。2005 年 Causin 等人研究了在数值不稳定是松散耦合与强耦合的方案，分析不可压缩流体域薄弹性结构，进而简化模型来表现流体附加质量的结构。2014 年，Tahar Berrabah Amina,Belharizi Mohamed,Laulusa Andr,Bekkouche Abdelmalek 结合 Brezina 拱坝的工程实例，对比拉格朗日法和附加质量法对其进行四阶模态分析、振动分析。最后，考虑流固耦合情况给出拱坝的最终的振型与形变。 252015 年，Oladapo S. Akinyemi, Yuc
10、heng Liu,通过 ANSYS CFD 对水轮机叶片流固耦合场进行分析，通过不同流速情况下的叶片分析给出最佳模型。综上所述，目前水电站厂、坝应力分析的方式主要是依据前期工程实例设计模拟出厂、坝的应力以及应变，然后给出厂、坝的结构安全性。运行期采用水电站安全检测数据来分析厂、坝的安全性。这样虽然可大致计算出安全性是否满足要求，但无法综合考虑厂、坝运行一段时间后的应力分布图以及相互作用。为此本课题通过结合水电站安全检测数据与三维模型给出厂房的应力、应变图。3. 研究的目的与意义 近来年，随着西电东送以及西部大开发战略的实施，我国水利工程建设正处于蓬勃发展时期，其中，许多已建和正在建设的混凝土大
11、坝都处于强震高发区,同时由于地质条件和厂坝结构非常复杂，对正常工况下的结构工作性态认识还不够，因此对厂房结构静力分析和地震反应研究的重要性也越来越受人们的关注。要掌握水电站厂房运行状况的安全可靠性，首先必须十分清楚地了解厂房在各种载荷作用、环境因素和时间因素的影响下的变位、应力和应变等的力学规律，在此基础上，经过分析研究，对厂房的运行状态做出评价，从而为设计提过依据。目前，对重力坝及其厂房的分析设计，独立于后期厂坝的工程检测，对于厂房局部受力主要依靠经验进行估算，没有比较可靠的依据。为了更好的了解厂房结构整体与局部的工作情况，对厂房整体模型、分块模型进行静动力分析是非常必要的。通过对厂房分析静
12、力的结果对比安全检测数据，调整应力，给出厂房应力、应变分布图和安全性分析结果。3. 1 有限元分析本课题结合某水电站工程实例，利用大型通用有限元软件 ANSYS Workbench，对坝后饮水式水电站厂房进行结构静力学、结构动力学、流体力学、耦合厂分析。通过对比厂房实际检测数据来验证模拟，然后用模拟数据给出厂房受力及形变图。根据上述研究任务，本课题的研究内容主要由以下几点：（1）收集并处理数据。收集水电站厂房应力、应变检测仪器的实际数据对数据进行处理，剔除损坏仪器和超差仪器，对检测准确仪器的数据进行计算并查阅厂房检测仪器埋设图，从而得到对应点高程的应力和应变情况。（2）建立有限元模型。利用 A
13、NSYS DesignModeler 建立水电站厂房进行三维有限元模型，部分复杂部件使用 SolidWorks 建模后导入。确定分析资料，分析项目决定分析的几何结构、边界条件、外力，获取材料性质。（3）求解模型对比实测数据。为模型施加荷载，选择求解器求解，分析并处理求解结果，找出检测仪器埋设位置点的应力和应变，对比实测数据。（4）模态分析。对整体模型和分块模型进行模态分析，研究其自振频率及结构振型，在模态分析的基础上，对整体模型和分块模型进行地震反应谱分型。（5）厂房整体安全性分析。通过对厂房结构的整体静动力分析模拟，综合评价厂房的安全可靠性。3.2 流体运动分析目前，研究流体运动有两种不同的
14、观点，因而形成了两种不停的方法：一种方法是从分析流体各个质点的运动着手，即用跟踪流体质点的方法来研究真个流体的运动，称为拉格朗日法；另一种方法是用从分析所占据的空间中各固定点处流体的运动着手，即用设立观察站的方法来研究流体在整个空间里的运动，称为欧拉法。（1）拉格朗日法用拉格朗日法研究流体运动时，着眼点事流体质点。即研究个别流体质点的速度、加速度、压强和密度等参数随时间 t 的变化，以及由某一流体质点转向另一流体质点时这些参数的变化，然后再把全部流体质点的运动情况综合起来，就得到整个流体的运动情况。此法实质上就是质点动力学研究方法的延续。通常用初始时刻流体质量点的坐标来标注不同流体质点的坐标。
15、设初始时刻流体质点的坐标是（a,b,c） ，于是 t 时刻任意流体质点的位置在空间的坐标可表示为： 123,xfabctyzft因此，任一流体质点的速度和加速度可表示为：12321232,xyzxyzzfxyztVttfyzttVafyzttxa（2）欧拉法欧拉法研究流体运动，其着眼点是流场中的空间点，或着眼点于控制体。即研究运动流体所占某固定空间点流体的速度、压强和密度等物理量随时间的变化；以及找出任意相邻空间点之间这些物理量的变化关系，即分析由空间某一点转到另一点时流动参数的变化，从而得出整个流体的运动情况。任意一个流体质点的位置变量 x,y,z 是时间 t 的函数，即xtyzt设 、 和
16、 分别代表流体质点的速度 在 x、y、z 轴上的分量，则xVyz V,xxyyzzdVtttt4、总 结1、明确研究分析目的对于水电站厂房安全性问题比较主要研究结构本身的应力、应变、荷载关系和稳定性等，对于不同结构其研究重点不同，如压力钢管主要分析其应力和形变，水轮机主要进行模态和自振分析。2、建立有限元模型目前成熟、先进、可靠的 CAD 建模软件，虽然能够建立出水电站结构的每个细节相符的几何模型，但是建模需根据研究目的简化模型，判断结构在模型中的尺寸比例，如果是“远远小于”结构主体，可忽略。3、网格控制、划分网格对于不同模型各部位的网格划分需要合理，对于应力集中处，大变形处，流动突变或不规则
17、出的网格需要加密，对于墙体类似辅助受力网格尺寸应该放大些，这样能有效的利用电脑资源节约分析时间，提高分析精度。4、选择相应的材料属性水电站厂房是有多种材料组成，不同的材料属性直接影响分析结果，因此厂房不同材料属性的设置需认真谨慎。部分材料属性需要根据需要修改其参数，如水的流速，混凝土的密度等。5、确定边界条件边界条件很多事动力学、动荷载边界条件，水流均为紊流，温度荷载在仿真过程中不断变化等，真实的多孔介质流动过程需要简化。6、分析仿真结果通过软件得到的云图、趋势曲线和仿真数据，需要进行分析评估然后对比实测数据进行调整后再次模拟，最终得到精确的仿真结果。参考文献1 三峡水电站主厂房振动分析研究报
18、告R.大连理工大学,2003,6. 2 李正农,蔡元奇.混凝土重力坝厂房坝段单、双孔口方案动力有限元分析与比较 J.武汉水利电力大学学报.1998(2):22-24. 3 杜丽惠,邓良军,陈宏钧,叶建群.水口水电站厂坝接触分析J .水利发电,2003(01):24-27.4 位敏.高地震烈度下碾压混凝土重力坝动力特性及抗震安全分析研究D .武汉大学硕士论文.2005,5.5 邹德兵,张建海等.土卡水电站坝后式厂房结构应力及稳定性研究J .四川建筑科学研究.2005,31(3):88-91.6 孙大伟,田斌.碾压混凝土重力坝岸坡坝段三维渗流计算J.水利天地.2007(3):44-45.7 Wes
19、tergarrd,WaterPressuresonDamsDuringEarthquake.Trans.Amer.Soe.Civ.1933,98(4):18-33.8 HousnerG.W.DynamiePressureonaeeeleratedfluideontainers.BulletionoftheSeismologieal SocietyofAmeriean,1957,47(l):15-359 肖琴. 高耸塔体结构抗震分析的动力相互作用研究D.大连:大连理工大学,2008.10 陈江,张少杰, 阂兴鑫.坝体一库水相互作用的流固祸合分析J.西南科技大学学报,2009,24(l):13-19.21 青柳茶,五味义雄 日.正常运行时抽水蓄能厂房振动的调查和分析J,电力土木,1984.12(3):21-23
