CN103577654A - 一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法，其中，所述方法的步骤为：步骤一：根据图纸尺寸要求，得到线棒轴线的二维模型；步骤二：使用圆锥包络方法建立线棒轴线的三维几何模型；步骤三：根据线棒中每种材料位置和各层结构几何形状将截面分割成许多小的矩形，使截面方向对中；步骤四：在空间三维曲线上的每个关键点处生成方向正确的截面后，依次连接相邻截面上对应的节点并生成六面体单元，形成完整的线棒三维有限元模型。通过本发明提出基于有限元软件和圆锥包络算法的线棒三维有限元建模方法，省略三维实体建模，简化分析步骤；提供一种高效、精确的大型汽轮发电机定子线棒的三维有限元建模方法。

Description

一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法

技术领域

本发明涉及一种建模方法的技术领域，尤其涉及一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法。

背景技术

汽轮发电机在现代电力能源供应中占有重要的角色，随着汽轮发电机向着大容量、大功率方向发展，其内部会产生很大的电流和磁场，机组在电场和磁场作用下会使定子端部结构产生松动，振动加剧等问题。为此必须对汽轮发电机的端部结构进行模态，电磁等振动分析，提出预防和解决发电机端部振动问题的方法。在有限元分析中，首先应该得到分析对象的模型。对于汽轮发电机而言，其定子端部结构复杂，特别是定子线棒绕组，具有篮式结构，生产工艺复杂，且其中线棒是三维空间曲线结构，并由多种材料、多层结构组合而成，给分析建模带来了很大的困难。

目前线棒的建模主要是基于三维软件来完成，建模方法有投影法和参数化法。投影法是先作出缠绕锥面的一条空间曲线，再将其投影到平行于锥底的平面上并截取想要的曲线段，最后将截取的曲线反向投影到锥面上得到所求空间渐开线，此方法的操作步骤复杂，修改费时费力；参数化方法是将线棒曲线分成起始、终止过渡圆弧段和中间渐开线段，并将每一段用参数化的方程来描述，然后逐段生成线棒曲线，最后由截面沿着曲线拉伸成三维模型。此方法的变量参数较多，容易混淆，同时线棒截面不能考虑多种材料和结构，只能建立单一的截面，与实际线棒结构不相符。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法，以解决上述分析建模困难，修改费时费力，建立模型时容易混淆，与实际线棒结构不相符的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法，其中，所述方法的步骤为：

步骤一：根据图纸尺寸要求，建立圆锥曲线平面展开图，得到基本参数：基圆半径R_a，起始圆弧的起点半径R_A，起始和终止圆弧半径r₁、r₂，渐开线起点对应的圆心角φ，展开线的跨角γ；同时将平面展开曲线离散成一系列点并保存它们的坐标，然后在有限元软件ANSYS中生成相应的关键点；然后通过样条曲线命令连接以上关键点，建立线棒轴线的圆锥渐开线、过度圆弧和端部直线段，得到线棒轴线的二维模型；

步骤二：将步骤一中得到的线棒轴线的二维模型中每个离散的节点坐标通过参数化APDL语言转换为三维关键点坐标，并存储为文本文件，然后利用有限元软件ANSYS读取文本文件并生成相应的三维关键点，最后用样条曲线命令连接所有的三维关键点，使用圆锥包络方法建立线棒轴线的三维几何模型；

步骤三：根据线棒中每种材料位置和各层结构几何形状将截面分割成许多小的矩形，每个矩形代表一种材料和一类结构，将这些矩形的节点坐标计算出来并存储，然后以数组的形式输入到ANSYS中，生成一层节点群，然后顺序连接相邻节点形成六面体单元，计算线棒三维曲线上每个关键点处的切线斜率；然后在有限元软件ANSYS中建立局部坐标系，局部坐标系的x轴与切线重合，y轴垂直于切线并指向圆锥中心线，然后在此局部坐标系下通过读入截面分割矩形节点坐标生成截面，使截面方向对中；

步骤四：在空间三维曲线上的每个关键点处生成方向正确的截面后，依次连接相邻截面上对应的节点并生成六面体单元，形成完整的线棒三维有限元模型。

上述一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法，其中，根据线棒轴线的二维模型，利用二维曲线与圆锥三维曲线的几何关系，求得线棒轴线的三维模型，所述线棒轴线的三维模型的精度依赖于所述线棒轴线的二维模型的准确程度；所述线棒截面形状及方向的对中设置能保证线棒具有正确的截面属性和方向。

上述一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法，其中，通过将所述线棒截面离散成节点，并连接相邻截面节点生成单元，最后建立线棒轴线三维有限元模型，并且线棒的网格全部为六面体，可直接用于有限元分析计算。

本发明由于采用了上述技术，产生的积极效果是：

通过本发明提出基于有限元软件和圆锥包络算法的线棒三维有限元建模方法，线棒参数修改方便且直接建立考虑截面属性的有限元模型，省略三维实体建模，简化分析步骤；提供一种高效、精确的大型汽轮发电机定子线棒的三维有限元建模方法；使有限元分析人员可以快速且精确的建立定子线棒的有限元分析模型，并能够方便快捷的修改模型参数后自动生成新的有限元模型，提高了建模效率，降低了建模工作量；还能够很好的考虑线棒内部的分层结构和各层材料的不同，使后面的有限元分析结构更加准确；不用依赖于三维建模软件的建模功能，省去了模型导入的过程，使得模型失真的问题不复存在；线棒模型的精确程度完全依赖于轴线二维模型的精度；可以自由控制模型中节点的位置，使后面分析中边界条件的加载更加方便。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法的步骤流程示意图；

图2为本发明一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法中线棒轴线平面展开的示意图；

图3为本发明一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法中线棒轴线的三维空间曲线示意图；

图4为本发明一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法中线棒截面对中的示意图；

图5为本发明一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法中线棒轴线离散点的示意图；

图6为本发明一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法中线棒轴线二维模型的示意图；

图7为本发明一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法中线棒轴线空间三维模型的示意图；

图8为本发明一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法中线棒截面的结构示意图；

图9为本发明一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法中线棒三维有限元模型的结构示意图；

图10为本发明一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法中线棒整体有限元模型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例：

请参见图1-10所示，一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法，其特征在于，所述方法的步骤为：

步骤一：根据图纸尺寸要求，建立圆锥曲线平面展开图，得到基本参数：基圆半径R_a，起始圆弧的起点半径R_A，起始和终止圆弧半径r₁、r₂，渐开线起点对应的圆心角φ，展开线的跨角γ；同时将平面展开曲线离散成一系列点并保存它们的坐标（如图5所示），然后在有限元软件ANSYS中生成相应的关键点；然后通过样条曲线命令连接以上关键点，建立线棒轴线的圆锥渐开线、过度圆弧和端部直线段，得到线棒轴线的二维模型（如图6所示）；

根据图纸尺寸，单根线棒的平面展开图（如图2）所示，AB为展开曲线起始直线段，BC为起始过渡圆弧，CD为展开渐开线段，DE为终止过渡圆弧，EF为终止直线段。其中基圆半径R_a，起始圆弧的起点半径R_A，起始和终止圆弧半径r₁、r₂，渐开线起点对应的圆心角φ，展开线的跨角γ；

步骤二：将步骤一中得到的所述线棒轴线的二维模型中每个离散的节点坐标通过参数化APDL语言转换为三维关键点坐标，并存储为文本文件，然后利用有限元软件ANSYS读取文本文件并生成相应的三维关键点，最后用样条曲线命令连接所有的三维关键点，使用圆锥包络方法建立线棒轴线的三维几何模型（如图7所示）；

如图3所示为包络到圆锥上的空间曲线，α为线棒空间曲线在圆锥上的跨角，β为圆锥角，其中二维曲线和三维曲线对应的几何关系有：

$\sin \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\β}}$

线棒空间曲线上任意点P（x,y,z）与平面曲线对应点Q（x，y）坐标关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_p=\sqrt{X_Q^2+y_Q^2}*\sin \left(\mathrm{\α}\right)*\sin \left(\frac{a\tan (y_Q/X_Q)}{\sin \left(\mathrm{\α}\right)}\right)\\ y_p=\sqrt{X_Q^2+y_Q^2}*\sin \left(\mathrm{\α}\right)*\cos \left(\frac{a\tan (y_Q/X_Q)}{\sin \left(\mathrm{\α}\right)}\right)\\ Z_p=\sqrt{X_Q^2+y_Q^2}*\cos \left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right.$

步骤三：根据线棒中每种材料位置和各层结构几何形状将截面分割成许多小的矩形，每个矩形代表一种材料和一类结构，将这些矩形的节点坐标计算出来并存储，然后以数组的形式输入到有限元软件ANSYS中，生成一层节点群，然后顺序连接相邻节点形成六面体单元，计算线棒三维曲线上每个关键点处的切线L斜率；然后在有限元软件ANSYS中建立局部坐标系，局部坐标系的x轴与切线重合，y轴垂直于切线L并指向圆锥中心线，然后在此局部坐标系下通过读入截面分割矩形节点坐标生成截面，使截面方向对中；

如图4所示，作线棒上任一点P的切线L，同时过P点作直线与切线L垂直并与圆锥中心线相交，最后作平面以相交线为对称轴并垂直于切线L，此平面即为线棒截面（如图8所示）；

步骤四：在空间三维曲线上的每个关键点处生成方向正确的截面后，依次连接相邻截面上对应的节点并生成六面体单元，形成完整的线棒三维有限元模型（如图9所示）。

最终得到线棒整体有限元模型（如图10所示）。

本发明在上述基础上还具有以下实施方式，请继续参见图1-10所示，

本发明的进一步实施例中，根据线棒轴线的二维模型，利用二维曲线与圆锥三维曲线的几何关系，求得线棒轴线的三维模型，所述线棒轴线的三维模型的精度依赖于所述线棒轴线的二维模型的准确程度；所述线棒截面形状及方向的对中设置能保证线棒具有正确的截面属性和方向。

本发明的进一步实施例中，通过将所述线棒截面离散成节点，并连接相邻截面节点生成单元，最后建立线棒轴线三维有限元模型，并且线棒的网格全部为六面体，可直接用于有限元分析计算。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法，其特征在于，所述方法的步骤为：

步骤一：根据图纸尺寸要求，建立圆锥曲线平面展开图，得到基本参数：基圆半径R_a，起始圆弧的起点半径R_A，起始和终止圆弧半径r₁、r₂，渐开线起点对应的圆心角φ，展开线的跨角γ；同时将平面展开曲线离散成一系列点并保存它们的坐标，然后在有限元软件ANSYS中生成相应的关键点；然后通过样条曲线命令连接以上关键点，建立线棒轴线的圆锥渐开线、过度圆弧和端部直线段，得到线棒轴线的二维模型；

步骤二：将步骤一中得到的所述线棒轴线的二维模型中每个离散的节点坐标通过参数化APDL语言转换为三维关键点坐标，并存储为文本文件，然后利用有限元软件ANSYS读取文本文件并生成相应的三维关键点，最后用样条曲线命令连接所有的三维关键点，使用圆锥包络方法建立线棒轴线的三维几何模型；

步骤三：根据线棒中每种材料位置和各层结构几何形状将截面分割成许多小的矩形，每个矩形代表一种材料和一类结构，将这些矩形的节点坐标计算出来并存储，然后以数组的形式输入到有限元软件ANSYS中，生成一层节点群，然后顺序连接相邻节点形成六面体单元，计算线棒三维曲线上每个关键点处的切线斜率；然后在有限元软件ANSYS中建立局部坐标系，局部坐标系的x轴与切线重合，y轴垂直于切线并指向圆锥中心线，然后在此局部坐标系下通过读入截面分割矩形节点坐标生成截面，使截面方向对中；

步骤四：在空间三维曲线上的每个关键点处生成方向正确的截面后，依次连接相邻截面上对应的节点并生成六面体单元，形成完整的线棒三维有限元模型。

2.根据权利要求1所述的大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法，其特征在于，根据线棒轴线的二维模型，利用二维曲线与圆锥三维曲线的几何关系，求得线棒轴线的三维模型，所述线棒轴线的三维模型的精度依赖于所述线棒轴线的二维模型的准确程度；所述线棒截面形状及方向的对中设置能保证线棒具有正确的截面属性和方向。

3.根据权利要求1所述的大型汽轮发电机定子线棒的有限元精确建模方法，其特征在于，通过将所述线棒截面离散成节点，并连接相邻截面节点生成单元，最后建立线棒轴线三维有限元模型，并且线棒的网格全部为六面体，可直接用于有限元分析计算。

Images