水电站启闭机卷筒有限元分析应用及实践

2015-05-07杜兴

机械工程师 2015年2期

杜兴

（中国葛洲坝集团机械船舶有限公司，湖北宜昌 443007）

0 引言

目前，随着计算机技术被广泛地应用于水工领域，利用现代设计方法对一些在卷筒设计研究中无法计算解决的问题，也找到了新的计算分析方法，以往一些复杂的手工计算过程，甚至误差较大的问题，现在也可以做进一步的精确研究了。根据水电站启闭机卷筒结构设计的特点，选择ANSYS软件作为本文的有限元分析软件，将会提高启闭机的设计手段，克服以往靠传统计算方法和经验的设计状态，减少设计误差，提高设计效率和设计精度。

1 卷筒有限元模型建立及计算分析

为了准确反映卷筒的各部分的应力分布情况，我们首先将根据卷筒的实际结构，建立实体模型，划分有限元网格，然后根据受力特点和约束情况，施加边界条件和外载荷，最后使用ANSYS软件进行求解计算。

1.1 卷筒模型简化

因计算机资源有限，在建模过程中，要进行模型的简化，模型要反映卷筒实际结构和力学特性，简化一些对计算结果影响不大的特征，以减少划分网格的数量，提高计算速度。

图1 卷筒结构图

启闭机卷筒结构如图1所示,其主要参数如表1所示。

因为启闭机卷筒多属于焊接壳结构，在有限元模型简化时，我们将卷筒和钢绳做如下假设：卷筒是封闭的薄壁圆柱壳，材料均质，各向同性，将钢丝绳对卷筒的压力均匀分布在钢丝绳与卷筒的接触宽度上。

表1 卷筒主要技术及结构参数

1.2 边界条件的处理

上述卷筒结构左端通过卷筒轴（短轴）支承在滚动轴承座上，右端与卷筒联轴器相连，由于钢丝绳在卷筒上缠绕处离两端各有一段距离，在实际工作中，左右两端变形很小，在此将两端作为边界条件，进行约束，对左端进行固定约束，右端允许轴向移动，约束其它两个方向。

1.3 载荷的施加

根据卷筒的受力状况，钢丝绳对卷筒的作用力主要有3个：1）受到一定张力的钢丝绳缠绕在卷筒外壁，带动卷筒旋转，对卷筒转动中心产生扭矩；2）把卷筒简化为一简支梁，当钢丝绳的拉力作用在卷筒上后，会产生弯矩；3）把钢丝绳在卷绕时对卷筒筒壁产生的紧箍作用看作成一个均匀的压力，并作用于筒壁上。

图2 光卷筒网格划分及施加载荷

1.4 卷筒筒壳的有限元计算分析

1.4.1 光筒筒壳的有限元计算分析

1）材料设置与网格划分。本例中的卷筒使用Q345B钢板卷制而成，塑形材料,模型单元选用SOLID45实体单元，在划分网格过程中，在卷筒的敏感区域或危险部位进行细化，满足分析精度要求，且单元数不至于过多，这样不仅满足计算的精度要求，而且还节省了计算时间。

2）加载及求解（如图 3、图 4）。

图3 光卷筒筒壳应力分布图

图4 光卷筒筒壳变形图

1.4.2 带绳槽卷筒筒壳的有限元计算分析

本例以图1所示卷筒结构为例进行分析，卷筒相关尺寸为：槽底直径Φ=1 258 mm；绳槽高度h=12 mm；绳槽节距t=35 mm。

按照卷筒的尺寸，筒壳上左右对称各布置37圈绳槽，我们在ANSYS软件中建立具有74圈绳槽的有限元模型，然后加载分析计算，其计算过程同上，比较分析带绳槽卷筒同光卷筒的应力。

图5 绳槽卷筒网格划分及施加载荷

为同上述光筒比较计算结果，选用的材料也为Q345，根据尺寸建立有限元模型和划分网格，加载及求解如图6、图7所示。

2.4.3 计算分析

1）传统理论分析。我们以图1所示的卷筒结构为例来说明：启闭力100 t，吊具自重11 t，考虑动载系数后，合计总载荷为122.1 t，因滑轮组倍率为4，共8根钢绳承担载荷，所以计算所得单根钢丝绳的最大静拉力Smax=122.1/（8×0.925）=16.5 t，根据此最大静拉力，缠绕绳表面压力荷载ρ=Smax/（0.5D·t）=7.3 MPa，另通过计算，卷筒扭矩0.212 85×109N·mm，最大弯矩 0.254 721×109N·mm。根据启闭机设计规范及力学公式，计算得到：弯曲正应力σx=9 MPa；扭转剪应力 τ=3.5 MPa；卷筒壁压应力 σp=201 MPa。

根据上面的计算结果可以看出，卷筒所承受的弯曲荷载和扭转荷载很小，而卷筒壁的压应力为2 000 Pa比较大，小于启闭机设计规范上规定的许用压应力［σp］（［σp］=σs/1.5=216.7 MPa）。