基于A(yíng)NSYS的圓筒閥剛強度及屈曲分析與研究

　　以某一電站圓筒閥作為計算算例，分別用有限元法和解析法對其進(jìn)行剛強度及屈曲分析計算，并對如何選取單元類(lèi)型，如何加邊界條件進(jìn)行了探討分析，得出具有參考價(jià)值的結論。

1、前言

　　圓筒閥位于水輪機固定導葉和活動(dòng)導葉之間，可沿水輪機軸線(xiàn)方向上下移動(dòng)。對于無(wú)法布置傳統進(jìn)水閥的大型調峰調頻或多泥沙的水電站，采用圓筒閥結構可以在停機過(guò)程中有效地保護導水機構和減少電站的漏水損失。目前我國已有大潮山、漫灣、小灣、光照等水電站采用了圓筒閥結構。性能和作用優(yōu)越的圓筒閥，在水電站設計選型中有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景。由于圓筒閥設置在頂蓋與座環(huán)上環(huán)形成的空腔內，工作時(shí)又要上下移動(dòng)，所以保證圓筒閥的剛強度和穩定性成為設計過(guò)程中的一個(gè)突出問(wèn)題。

　　本文以某電站圓筒閥作為算例，首先進(jìn)行了筒閥剛強度計算分析，其次從對邊界條件選取、單元選擇、載荷施加方法等方面著(zhù)手，提出了筒閥屈曲分析的有限元法和解析計算方法。

2、基本計算參數

　　筒閥中心半徑：Rm=2575mm

　　筒閥壁厚：δe=100mm

　　筒閥高度：L=1310mm

　　筒閥外徑：D0=5250mm

　　最大靜水頭壓力：P1=0.726MPa

　　升壓水頭壓力：P2=0.978MPa

　　筒閥推拉桿個(gè)數：6個(gè)

3、有限元法

3.1、圓筒閥剛強度分析

　　進(jìn)行圓筒閥剛強度分析，考核應力值大小并找出局部最大應力出現位置。

　　利用圓筒閥的對稱(chēng)性，切取包含一個(gè)推拉桿在內的2π/Z(Z為推拉桿個(gè)數)的扇形區域作為計算模型。本次分析采用大型結構分析軟件ANSYS軟件完成，全部采用每個(gè)節點(diǎn)具有三個(gè)自由度的8節點(diǎn)六面體單元，即SOLID185單元，筒閥的應力計算模型及網(wǎng)格剖分如圖1所示。

圖1 筒閥應力計算模型及網(wǎng)格劃分圖

　　邊界條件：為保證位移協(xié)調一致，在切開(kāi)斷面處采用周期對稱(chēng)邊界條件，同時(shí)在推拉桿的上端活塞處，約束下端面相應節點(diǎn)的三個(gè)自由度。當圓筒閥全關(guān)閉時(shí)，承受0.726MPa的最大靜水壓力，當筒閥動(dòng)水關(guān)閉時(shí)，承受0.978MPa外壓力。

　　計算工況：我們主要考慮兩種工況，即最大靜水頭工況和升壓水頭工況。

　　表1給出了兩種工況下的分析計算結果。圖2為升壓水頭工況下筒閥整體的應力分布，圖3為升壓水頭工況下筒閥整體的變形分布。

表1 兩種工況下筒閥計算結果

圖2 升壓水頭工況下筒閥整體的應力分布

圖3 升壓水頭工況下筒閥整體的變形分布

　　從計算結果可看出，兩種工況下筒閥最大局部應力分別為27.86MPa和20.68MPa，均出現在推拉桿與閥體接觸面上。

3.2、圓筒閥屈曲分析

　　屈曲分析是一種用于確定結構開(kāi)始變得不穩定時(shí)的臨界載荷和屈曲結構發(fā)生屈曲響應時(shí)的模態(tài)形狀的技術(shù)。圓柱形薄殼在均勻外壓作用下，壁內應力變?yōu)閴簯�力，則當外壓達到臨界值時(shí)，薄殼的圓形平衡就變?yōu)椴环�定，會(huì )突然變成長(cháng)圓形。由屈曲導致結構的不穩定，對于結構的設計來(lái)說(shuō)是致命的，因為通常在結構強度還遠沒(méi)達到極限時(shí)就發(fā)生了屈曲。所以對圓筒閥進(jìn)行屈曲分析是非常必要的。

　　屈曲問(wèn)題的有限元分析方法大致有兩類(lèi)：一類(lèi)是通過(guò)特征值分析計算屈曲載荷，根據是否考慮非線(xiàn)性因素對屈曲載荷的影響。這類(lèi)方法又細分為線(xiàn)性屈曲和非線(xiàn)性屈曲分析。另一類(lèi)是利用結合Newton-Raphson迭代的弧長(cháng)法來(lái)追蹤確定加載方向，追蹤失穩路徑的增量非線(xiàn)性分析方法能有效的分析非線(xiàn)性屈曲和失穩問(wèn)題。本文只針對第一種方法中的線(xiàn)性屈曲分析進(jìn)行討論，這種方法通過(guò)提取使線(xiàn)性系統剛度矩陣奇異的特征值來(lái)獲得結構的臨界失穩載荷及失穩模態(tài)。

　　進(jìn)行筒閥的屈曲分析計算時(shí)，取整個(gè)閥體作為計算模型。對單元和邊界條件的選取分別有如下幾種方案。

　　單元選�。�

　　(1)分析時(shí)采用每個(gè)節點(diǎn)具有三個(gè)自由度的8節點(diǎn)六面體單元，即SOLID185單元。

　　(2)采用每個(gè)節點(diǎn)具有三個(gè)自由度的20節點(diǎn)六面體單元，即SOLID186單元。

　　通過(guò)多個(gè)算例對比分析得知，采用不同的單元類(lèi)型，其計算結果也不相同，而且單元長(cháng)度的大小對計算結果有一定的影響。一般情況下，單元網(wǎng)格剖分的越小，其計算結果越接近于GBl50)1998的結果，所以建議采用SOLID186單元。圖4為有限元分析模型。

圖4 筒閥屈曲分析計算模型

　　邊界條件選取方法：

　　(1)在接力器活塞桿處約束軸向位移，并約束閥體中心半徑處0°，90°，180°，270°四個(gè)節點(diǎn)的切向位移。

　　(2)在圓筒閥的底部，約束中心半徑處0°，90°，180°，270°位置節點(diǎn)的切向位移和軸向位移。

　　(3)在圓筒的外側施加1MPa(一個(gè)單位載荷)的壓力，不用施加實(shí)際載荷。因為由屈曲分析計算出的特征值，表示屈曲載荷系數。所以，若施加的是單位載荷，則該特征值就表示實(shí)際的屈曲載荷。

　　經(jīng)過(guò)比較分析，建議今后對圓筒閥進(jìn)行屈曲分析時(shí)采用第二種邊界條件約束方法，并按方法(3)施加載荷。

　　通過(guò)有限元屈曲分析可知，圓筒閥屈曲載荷為3.495MPa，而實(shí)際圓筒閥承受的最大外壓為0.978MPa，臨界壓力安全系數為3.57。因此，該圓筒閥在外壓力作用下，不會(huì )發(fā)生失穩情況，圖5為筒閥的有限元屈曲分析結果。

圖5 筒閥的屈曲分析結果

4、解析法計算圓筒閥平均應力、變形及許用外壓

　　周向平均應力：

　　徑向變形：

　　許用外壓：

　　式中系數B值根據GB150-1998中的圖6-2、6-4中查取。

　　采用解析法計算得到的是閥體的平均應力，其應力及變形水平與有限單元法計算結果接近。

5、結語(yǔ)

　　(1)通過(guò)對某電站圓筒閥剛強度分析，發(fā)現筒閥最大應力位置通常出現在推拉桿與閥體接觸面上。

　　(2)邊界條件選取、單元選擇、載荷施加方法等對屈曲分析結果是有影響的。建議在今后進(jìn)行筒閥屈曲分析時(shí)，參照本文提出的方法進(jìn)行計算。

　　(3)從有限元和解析計算結果可以看出本文提出的計算方法真實(shí)可靠，從而為今后對圓筒閥進(jìn)行剛強度和屈曲分析提供了強有力的技術(shù)支持。