CN108875104A - 一种绑扎式发电机定子端部有限元建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绑扎式发电机定子端部有限元建模方法，包括：基于定子端部的三维模型，分别对所述三维模型的定子端部各部件进行抽中线和/或抽中面处理；分别对所述定子端部各部件进行网格化处理以建立其对应的网格模型；连接各部件的网格模型以建立整体的定子端部有限元模型。针对采用数值方法对发电机定子端部绑扎式固定结构进行动力学分析过程中的有限元模型难以合理建立、建模效率较低的问题，基于梁、壳单元自由度相同的原理，使用抽中线或者抽中面建立线棒梁单元有限元模型以及支架和压板壳单元有限元模型，并且采用共节点的连接方式，减少了接触单元的使用，在降低了建模难度，保证分析精度的同时有效提高了建模效率，降低了计算规模，并易于实现。

Description

一种绑扎式发电机定子端部有限元建模方法

技术领域

本发明涉及动力学数值分析领域，尤其涉及一种绑扎式发电机定子端部有限元建模方法。

背景技术

汽轮发电机定子绕组端部振动问题一直是发电机研发技术中的难点之一，一般在正常工作状态下，大型发电机定子绕组端部会受到电磁力的作用，在此电磁力作用下，定子绕组端部的振动主要以近似椭圆形式分布，尤其当汽轮发电机定子端部绕组等构件的固有频率接近电磁力激振频率时，从而使得绕组线棒上的绝缘或者构件损害，因而影响汽轮发电机的正常运行，甚至造成安全事故。

在发电机定子端部的动力学数值分析过程中，合理的有限元模型是影响最终计算结果精度的重要因素，并且其计算结果是为发电机的设计与运行维护提供参数支撑，然而现阶段通常全部采用实体单元，并在相应的位置设置接触进行建模，这个过程对分析人员的经验要求较高，同时计算规模时分庞大，并且要经过大量重复性计算对模型接触条件进行修正，很难达到较为理想的精度。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种绑扎式发电机定子端部建模方法，提供一种对发电机定子端部进行绑扎式复杂装配体的数值模型建模方法以及模型中的关键部件处理方法，其根据梁、壳单元自由度一致的特点，使用梁、壳单元并结合共节点的接触方式对发电机定子端部进行建模，该方法保证了有限元计算的精度，提高了建模及计算效率，并降低了计算规模，易于实现。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是对发电机定子端部进行绑扎式复杂装配体的数值模型建模方法以及模型中的关键部件处理方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种绑扎式发电机定子端部有限元建模方法，包括：

基于定子端部的三维模型，分别对所述三维模型的定子端部各部件进行抽中线和/或抽中面处理；

分别对所述定子端部各部件进行网格化处理以建立其对应的网格模型；

连接各部件的网格模型以建立整体的定子端部有限元模型。

进一步地，所述连接各部件的网格模型还包括以下步骤：

设置所述定子端部各部件的共用节点；

通过连接所述共用节点将所述定子端部各部件连接。

进一步地，还包括在所述定子端部有限元模型上进行模态分析，以获得模态振型及其对应的固有频率参数。

进一步地，所述模态分析采用缺省方法、子空间法、缩减法、非对称法和阻尼法中至少一种。

进一步地，所述模态分析采用ANSYS软件。

进一步地，所述定子端部各部件包括线棒、支架和压板。

进一步地，所述定子端部各部件还包括端箍、弹簧板、鼻端径向连接件、鼻端周向连接件和垫块。

进一步地，所述抽中线和/或抽中面处理包括对所述线棒进行抽中线处理、对所述支架进行抽中面处理和对所述压板进行抽中面处理中的至少一种。

进一步地，所述抽中线和/或抽中面处理还包括对所述端箍进行抽中线处理、对所述弹簧板进行抽中面处理、对所述鼻端周向连接件进行抽中面处理、对所述鼻端径向连接件进行抽中面处理和对所述垫块进行抽中面处理中至少包括一种。

进一步地，所述网格化处理包括对所述线棒使用梁单元进行有限元网格划分、对所述支架使用壳单元进行有限元网格划分和对所述压板使用壳单元进行有限元网格划分中的至少一种。

进一步地，所述网格化处理还包括对所述端箍使用梁单元进行有限元网格划分、对所述弹簧板使用壳单元进行有限元网格划分、对所述鼻端周向连接件使用壳单元进行有限元网格划分、对所述鼻端径向连接件使用壳单元进行有限元网格划分和对所述垫块使用壳单元进行有限元网格划分中的至少一种。

进一步地，所述线棒使用梁单元进行有限元网格划分是基于Timoshenko梁理论采用beam188和/或beam189单元来建立线棒梁单元模型。

进一步地，所述线棒模型限定其中心线和垂直于所述中心线的截面，所述截面为刚性平面。

进一步地，所述建立线棒模型通过插值设置其位移参数和所述截面的转角参数。

根据本发明提供的一种发电机定子端部建模方法，针对采用数值方法对发电机定子端部结构进行动力学分析过程中的有限元模型难以合理建立、建模效率较低的问题，基于梁、壳单元自由度相同的原理，使用抽中线或者抽中面建立线棒梁单元有限元模型以及支架和压板壳单元有限元模型，并且采用共节点的连接方式，减少了接触单元的使用，在降低了建模难度，保证分析精度的同时有效提高了建模效率，降低了计算规模，并易于实现。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的绑扎式发电机定子端部有限元建模方法示意图；

图2是单根线棒梁单元有限元模型图；

图3是线棒与支架、压板、弹簧板、端箍装配处细节的有限元模型图；

图4是线棒与垫块、鼻端径向连接、鼻端周向连接、端箍装配处细节的有限元模型图；

图5是端部整体装配体的有限元模型图；

图6是发电机定子端部椭圆振型模态。

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图中附图标记的含义：

上层线棒1、下层线棒2、上层压板3、层间压板4、端箍5、弹簧板6、支架7、鼻端周向连接8、鼻端径向连接9、垫块10

具体实施方式

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接；可以是拆卸连接；也可以是点连接；可以是直接连接；可以是通过中间媒介间接连接，可以使两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是根据本发明的绑扎式发电机定子端部有限元建模方法示意图。

具体地如图1所示，根据本发明的绑扎式发电机定子端部有限元建模方法包括：

步骤1：基于定子端部的三维模型，分别对三维模型的定子端部各部件进行抽中线和/或抽中面处理。

例如，定子端部各部件包括线棒、支架和压板，其还包括端箍、弹簧板、鼻端径向连接件、鼻端周向连接件和垫块等部件。

由于线棒、端箍为长条状结构，并且其横截面面积相对与其长度尺寸非常小，因此，针对线棒模型和端箍模型使用梁单元建立有限元模型，在此之前，需要分别对线棒、端箍进行抽中线处理，例如，将线棒、端箍实体模型导入三维建模软件中，找到其横截面的中心点，将横截面中心点连成空间曲线，即为线棒、端箍模型的中心线。

同样地，支架、压板、弹簧板、鼻端径向连接、鼻端周向连接、垫块为平板状即板壳结构，其厚度方向尺寸远远小于其它两个方向的尺寸。壳单元的力学模型取为结构单元的中性面，即以各中性面来代表为不同厚度的板或壳单元的组合体，以此来模拟结构体。因此，针对支架、压板等板壳结构的部件使用壳单元建立有限元模型，在此之前，需要分别对支架、压板、弹簧板、鼻端径向连接、鼻端周向连接、垫块等部件进行抽中面。例如，将支架、压板、弹簧板、鼻端径向连接、鼻端周向连接、垫块实体模型导入三维建模软件中，在支架、压板、弹簧板、鼻端径向连接、鼻端周向连接、垫块厚度方向的中间点建立模型的中面。

并且，梁单元的节点自由度式为[δ]＝(u_i′，v_i′，w_i′，θ_ix′，θ_iy′，θ_iz′)^T，壳单元的节点自由度为式[δ]＝(u_i′，v_i′，w_i′，θ_ix′，θ_iy′，θ_iz′)^T，其中6个自由度数是沿x轴平移，沿y轴平移，沿z轴平移，绕x轴转动，绕y轴转动，绕z轴转动。因此，梁单元和壳单元的节点自由度相同，节点自由度相同的单元类型之间使用共节点的方式进行接触是符合力学要求的，之后需要对定子端部各部件进行共节点的设置，然后通过共节点连接各部件。

步骤2：分别对定子端部各部件进行网格化处理以建立其对应的网格模型；包括以下步骤：

首先将处理后的模型导入有限元前处理软件进行定子端部各部件网格划分，包括分别针对线棒模型和端箍模型使用梁单元建立有限元模型和分别针对支架模型、压板模型、弹簧板模型、鼻端径向连接模型、鼻端周向连接模型和垫块模型使用壳单元建立有限元模型。其中，例如，梁单元模型的建立采用ANSYS提供的以Timoshenko梁单元为理论的beam188/189单元，假定的基础上:①变形前垂直于梁中心线的平截面，在梁受载荷而弯曲变形时仍然保持为平面；②变形后的横截面仍垂直于中性层；③横截面上没有任何伸长或缩短，即这些平面为刚性平面。④通过建立挠度和截面转角各自独立插值来解释横向剪切变形，并且通过设置梁单元的截面属性，实现对线棒和端箍真实模型力学特性的模拟；壳单元模型的建立是在包括支架、压板、弹簧板、鼻端径向连接、鼻端周向连接、垫块等板壳结构部件的中面位置建模，并通过设置壳单元的厚度参数，实现对真实模型力学特性的模拟；

然后设置定子端部各部件的节点，并且该节点同时处在两个不同部件的单元模型中，例如，在上层压板与层间压板、层间压板与支架、支架与弹簧板、上层线棒下层线棒与上层压板层间压板、下层线棒与支架、上层线棒下层线棒与鼻端周向连接、上层线棒下层线棒与鼻端径向连接、上层线棒下层线棒与垫块、上层线棒与端箍等设置共用节点，保证该节点同时处在两个不同部件的单元中。

步骤3：连接各部件的网格模型以建立整体的定子端部有限元模型。例如，将各部件使用共节点的方法进行连接处理以获得发电机定子端部整体有限元模型。

还包括在定子端部有限元模型上进行模态分析，以获得模态振型及其对应的固有频率参数。例如使用ANSYS软件进行模态分析，并且采用缺省方法(block lanczos)得到定子端部的模态振型及对应的固有频率。

下面以某型号汽轮发电机定子端部模态计算分析为例，采用本发明提出的建模流程及关键部件的处理方法，解决了绑扎式复杂装配体有限元建模效率低、精度差及计算规模过大的问题。

步骤1：首先采用三维建模软件CATIA或者SolidWorks建立定子端部的三维模型，然后进行抽中线和抽中面处理，包括分别将线棒、端箍实体模型导入三维建模软件中，找到其横截面的中心点，将横截面中心点连成空间曲线，即为线棒、端箍模型的中心线；将支架、压板、弹簧板、鼻端径向连接、鼻端周向连接、垫块实体模型导入三维建模软件中，在支架、压板、弹簧板、鼻端径向连接、鼻端周向连接、垫块厚度方向的中间点建立模型的中面。

步骤2：如图2-4所示，将处理后的模型导入有限元前处理软件进行网格划分，在互相连接的部件位置，包括以下步骤：

进行网格化处理，包括针对已经抽过中线的上层线棒1、下层线棒2和端箍5等结构使用梁单元进行有限元网格划分；针对已经抽过中面的支架7、上层压板3、下层压板4、弹簧板6、鼻端径向连接9、鼻端周向连接8、垫块10等结构使用壳单元进行有限元网格划分。

设置节点，包括将上层压板3与层间压板4、层间压板4与支架7、支架7与弹簧板6、上层线棒1下层线棒2与上层压板3层间压板4、下层线棒2与支架7、上层线棒1下层线棒2与鼻端周向连接8、上层线棒1下层线棒2与鼻端径向连接9、上层线棒1下层线棒2与垫块10、上层线棒1与端箍5等设置共用节点，保证该节点同时处在两个不同部件的单元中。

其中不限定以上两个步骤(进行网格化处理步骤和设置共用节点步骤)的先后顺序。

步骤3：将各部件相交的位置包括上层压板3与层间压板4、层间压板4与支架7、支架7与弹簧板6、上层线棒1下层线棒2与上层压板3层间压板4、下层线棒2与支架7、上层线棒1下层线棒2与鼻端周向连接8、上层线棒1下层线棒2与鼻端径向连接9、上层线棒1下层线棒2与垫块10、上层线棒1与端箍5等使用共节点的方法进行连接处理，例如匹配节点以连接各部件，因而获得发电机定子端部整体有限元模型如图5所示。

步骤4，利用ANSYS对有限元模型进行模态求解，采用block lanczos法得到定子端部的模态振型及对应的固有频率(例如，如图6所示发电机定子端部椭圆振型模态)。如下表所示是提取模态计算值与实际试验值进行对比表明，采用本发明提供的方法，建立的发电机定子端部有限元模型计算所得模态结果与实测值误差在5％以内，其中汽端是指靠近汽轮机的一端，励端是指发电机靠近励磁机的一端。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种绑扎式发电机定子端部有限元建模方法，其特征在于，包括：

基于定子端部的三维模型，分别对所述三维模型的定子端部各部件进行抽中线和/或抽中面处理；

分别对所述定子端部各部件进行网格化处理以建立其对应的网格模型；

连接各部件的网格模型以建立整体的定子端部有限元模型。

2.如权利要求1所述的绑扎式发电机定子端部有限元建模方法，其特征在于，所述连接各部件的网格模型还包括以下步骤：

设置所述定子端部各部件的共用节点；

通过连接所述共用节点将所述定子端部各部件连接。

3.如权利要求1所述的绑扎式发电机定子端部有限元建模方法，其特征在于，还包括在所述定子端部有限元模型上进行模态分析，以获得模态振型及其对应的固有频率参数。

4.如权利要求3所述的绑扎式发电机定子端部有限元建模方法，其特征在于，所述模态分析采用缺省方法、子空间法、缩减法、非对称法和阻尼法中至少一种。

5.如权利要求3所述的绑扎式发电机定子端部有限元建模方法，其特征在于，所述模态分析采用ANSYS软件。

6.如权利要求1所述的绑扎式发电机定子端部有限元建模方法，其特征在于，所述定子端部各部件包括线棒、支架和压板。

7.如权利要求6所述的绑扎式发电机定子端部有限元建模方法，其特征在于，所述定子端部各部件还包括端箍、弹簧板、鼻端径向连接件、鼻端周向连接件和垫块。

8.如权利要求6所述的绑扎式发电机定子端部有限元建模方法，其特征在于，所述抽中线和/或抽中面处理包括对所述线棒进行抽中线处理、对所述支架进行抽中面处理和对所述压板进行抽中面处理中的至少一种。

9.如权利要求6所述的绑扎式发电机定子端部有限元建模方法，其特征在于，所述网格化处理包括对所述线棒使用梁单元进行有限元网格划分、对所述支架使用壳单元进行有限元网格划分和对所述压板使用壳单元进行有限元网格划分中的至少一种。

10.如权利要求6所述的绑扎式发电机定子端部有限元建模方法，其特征在于，所述线棒使用梁单元进行有限元网格划分是基于Timoshenko梁理论采用beam188和/或beam189单元来建立线棒梁单元模型。