MFSAP、SAP2000和STARDYNE三个软件动力计算结果差异分析

马旻 尹谦钧

[摘要]MFSAP、STARDYNE 和SAP2000三个有限元软件都可以用来进行汽轮发电机基础动力分析，本文使用三个软件对一个假想的汽机基础进行动力计算，通过对结果的分析发现：三个软件计算得到的结构自振频率是一致的，相差在2%以内;幅频曲线趋势一致，数量上略有差异，这种差异随位移幅值的数量增加而减小，在幅值10μm以上时，差异在10%以内;计算中由于采用阻尼形式的不同（粘滞阻尼和结构阻尼）引起的位移幅值的差异在3%以内。

[关键词] 汽轮发电机基础  有限元  幅频曲线  阻尼

一、MFSAP、STARDYNE 和SAP2000简介

MFSAP（TGFP的升级版）是国内电力行业应用较为广泛的汽机基础动力分析软，软件使用方便，与中国规范结合良好，是一个很好的计算工具。

在设计岭澳核电站二期中的弹簧隔振基础时，我院接触到了STARDYNE软件，并有幸向德国GERB公司汽机基础设计专家学习了使用方法。STARDYNE是STAAD软件中的一个高级分析模块，在STAAD软件界面虽然可以调用STARDYNE分析模块，但STARDYNE软件中大部分很好、很有用的功能无法使用，包括了用于汽机基础动力分析的稳态分析的功能，德国GERB公司专家是通过批处理文件来调用STARDYNE频域分析的功能，并且通常要借助其他前（后）处理软件（如FEMAP）来进行建模或观察计算结果，所以操作起来不太方便。

为便于进行弹簧隔振基础设计，我们考虑用SAP2000软件替代STARDYNE软件来进行汽机基础的动力分析。SAP2000的稳态分析功能适合解决汽机基础动力问题，并且软件操作界面直观、友好，并且已经能够根据中国规范进行构件设计，可以完成常规汽机基础和弹簧隔振基础动、静力计算和构件设计，是进行汽机基础动力分析的一个很好的工具。

由于以前很少使用STARDYNE和SAP2000软件进行汽机基础的动力分析，缺乏经验，为验证软件分析结果的正确性，同时也为了解各个软件结果的差异程度，我们选了一个算例，用三个软件分别进行动力分析，并对结果进行分析和比较。

二、软件中有关阻尼的设置

汽机基础动力分析中的一个比较重要的问题是有关阻尼的取值和设置。阻尼有结构阻尼（structural damping or hysteretic damping）和粘滞阻尼（modal damping or viscous damping）两种理论，在动力分析时，两种阻尼理论通常都采用瑞利阻尼的表示形式，即阻尼矩阵表示为质量矩阵和刚度矩阵的线性组合。

MFSAP软件使用说明书中指出，在MFSAP动力分析时无论采用哪种理论，阻尼比应采用《动规》规定的阻尼比的两倍，即0.125。

STARDYNE中则提供“粘滞阻尼”（modal damping or viscous damping）和“结构阻尼”（structural damping or hysteretic damping），依据软件的帮助文件，如果采用“粘滞阻尼”，在阻尼比应取0.0625;如果采用结构阻尼，在阻尼比应取为0.125。

SAP2000中仅提供了“结构阻尼”，以瑞利阻尼的形式给出，根据SAP2000分析手册和结构动力学知识可知，将瑞利阻尼中的质量矩阵系数设为0，刚度矩阵系数设为粘滞阻尼比的2倍，则结构阻尼与粘滞阻尼。例如，如果STARDYNE中的粘滞阻尼比为0.0625，那么SAP2000中质量矩阵系数设为0，刚度矩阵系数设为0.125。

三、算例及结果分析

1.算例说明

本文所选的计算问题为MFSAP软件使用手册中的第一道例题EX1，是一个假想的汽机基础，横向一跨、纵向两跨，SAP2000中的计算模型如下图所示。扰力作用在每个横梁的跨中，从左至右扰力作用节点号分别为26、31、36，其他详细参数见MFSAP（V1.0）使用手册。

将三个软件计算结果与平均值进行比较可知，三个软件的结果与均值最大相差为1.3%，即使计算模型很简单，频率的计算结果也会有一点差异。

3.计算结果差异分析

三个软件计算的扰力作用点处SRSS组合的幅频曲线见下图。

从幅频曲线图中可看出，各曲线趋势基本一致，但数量上存在差异，不完全重合。造成这种差异可能有两个原因，一个是软件计算精度不同，另外一个是软件使用的阻尼类型不同。

为分析软件计算精度的影响，将各软件计算结果与均值的相对值为纵坐标，以相应的位移幅值为横坐标，绘制成散点图如下。

由上述两图可以看出，随着计算的位移值的增加，三个软件的计算结果相差越来越小，x方向结果收敛较快，在位移幅值大于1.5μm时，相差在5%以内;而z方向结果收敛较慢，幅值大于9μm时，相差在5%以内。由此可以推测，软件的计算精度是造成结果差异的一個重要原因，并且随着计算变量量值增加软件的精度会提高。

为验证上述推断，本文将原模型中的z方向的三个扰力值放大10倍，将SAP2000和STARDYNE的计算结果整理见图。图中可以看出，在位移大于10μm以后，两个软件结果与均值相差5%以内。

为分析阻尼类型对计算结果的影响，使用STARDYNE软件中的粘滞阻尼和结构阻尼两种阻尼形式对算例进行计算，将两个结果计算差异见图，可以看出，阻尼形式不同引起的结果差异在3%以内。

四、结论

1.三个软件计算得到的结构自振频率是一致的，相差在2%以内;幅频曲线趋势一致，数量上略有差异，这种差异随位移幅值的数量增加而减小，在幅值10μm以上时，差异在10%以内。

2.计算中由于采用阻尼形式的不同（粘滞阻尼和结构阻尼）引起的位移幅值的差异在3%以内。