CN114169199B - 一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法，涉及汽轮发电机技术领域。本发明首先建立定子绕组端部的有限元三维模型，再将三维模型导入电磁分析软件中进行电磁分析并得到电磁数据，然后将电磁分析结果导入结构分析模型中，进行电磁和结构耦合并完成瞬态动力响应分析，最终得到能够真实反映定子绕组端部随时间和空间分布的动力响应，计算结果和实测值吻合，本发明的分析方法相较于现有分析方法而言，分析结果更可靠、准确。

Description

一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法
技术领域
本发明涉及汽轮发电机技术领域，更具体地说涉及一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法。
背景技术
在定子绕组端部的响应分析研究方面，目前常用的方法是稳态Harmonic分析。该方法是用于求解由于不同幅值和单一不同频率的Harmonic激励所引发的结构的最大稳态响应。由于定子绕组端部结构复杂，电动力为空间旋转力波，相应的完整计算载荷也非常复杂，故目前行业内采用对定子端部整体结构中的单根线棒施加谐波载荷，计算整体结构中单根线棒的谐响应。例如：端部电磁力波频率为100Hz，在整体模型中对单根线棒施加100Hz的力波载荷，采用Harmonic分析得到单根线棒的响应，就能得到在100Hz处单根线棒的柔度。但该算法进行了简化，电磁力的施加不精确，其分析结果与实际情况存在较大差异。
由于发电机定子绕组端部结构的复杂性，所以绕组端部在电磁力作用下的结构动力响应是国内外研究的重要课题。目前国内外的研究资料显示，大多研究工作都是将结构分析模型和电磁分析模型进行了不同程度的简化，还没有采用完整三维实体模型研究分析定子绕组端部在电磁力作用下结构瞬态动力响应的工作。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法，本发明的发明目的在于解决现有技术中没有采用完整三维实体模型研究分析定子绕组端部在电磁力作用下结构瞬时动力响应的问题。本发明首先建立定子绕组端部的有限元三维模型，再将三维模型导入电磁分析软件中进行电磁分析并得到电磁数据，然后将电磁分析结果导入结构分析模型中，进行电磁和结构耦合并完成瞬态动力响应分析，最终得到能够真实反映定子绕组端部随时间和空间分布的动力响应，计算结果和实测值吻合，本发明的分析方法相较于现有分析方法而言，分析结果更可靠、准确。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：
一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法，该方法包括以下步骤：
S1、建立定子绕组端部中线棒的有限元三维模型，并将建立的三维模型导入到电磁分析软件中，通过电磁分析，得到线棒上各个单元在对应时间步长下电磁力密度的三个分量，并输出数据文件A；
S2、在结构分析软件中，设定定子绕组端部模型的接触关系、网格和边界条件，建立定子绕组端部中线棒的结构分析模型，并将线棒中所有节点和单元分别建立组件，生成数据文件B；
S3、首先读取电磁分析数据文件A中线棒的节点坐标，再读取结构分析软件生成的数据文件B中线棒的节点坐标；通过对两个文件中不同坐标值的循环查找，得到电磁分析与结构分析中相对应的节点对；将电磁分析数据文件A中线棒节点的电磁力密度赋予到结构分析数据文件B中线棒的节点上，得到结构分析模型中线棒节点电磁力密度的三个分量，写入到数据文件B中；
S4、读取结构分析模型中线棒各单位体积和节点信息；对每个单元相关节点上电磁力密度的三个分量求均值，得到该单元电磁力密度的三个分量；将单元电磁力密度的三个分量乘以对应单元的体积，得到该单元电磁力的三个分量；将单元电磁力的三个分量分配到该单元相关的节点上，得到单元节点电磁力的三个分量；
S5、将结构分析模型中的线棒上所有单元按照S4步骤进行积分运算，得到线棒上所有节点电磁力的三个分量；
S6、将S5步骤中得到的结构分析模型中线棒节点电磁力的三个分量加载到结构分析模型的线棒节点上，进行瞬态动力响应分析，并提取分析结果。
S4步骤中，线棒单元电磁力密度的三个分量表示为（Fdx，Fdy，Fdz）；该单元电磁力的三个分量表示为（Fx，Fy，Fz）；则电磁力计算公式如下：
Fx=VE*Fdx；
Fy=VE*Fdy；
Fz=VE*Fdz；式中，VE表示线棒单元体积。
S5步骤中，线棒上所有节点电磁力的三个分量的计算公式如下所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
；式中，，e为线棒单元总数。
更进一步的，所述结构分析软件为ANSYS软件。
所述S3步骤中，是通过APDL程序语言实现的。
更进一步的，所述S4步骤中，结构分析模型中线棒各单位体积和节点信息是通过APDL程序语言读取的。
所述S5步骤，是通过APDL程序语言实现的。
与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：
本发明首先是建立定子绕组端部的有限元三维模型，再将三维模型导入电磁分析软件中进行电磁分析并得到电磁数据，再通过APDL汇编语言将电磁分析结果导入结构分析模型中，然后进行电磁和结构耦合并完成瞬态动力响应分析。最终得到能够真实反映定子绕组端部随时间和空间分布的动力响应（位移、速度、加速度、相位、频率），计算结果和实测值相吻合，比行业内普遍采用的分析方法可靠，准确。
附图说明
图1为本发明定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析流程图；
图2为本发明定子绕组端部线棒的三维模型图；
图3为本发明定子绕组端部线棒电磁力分布图；
图4为本发明定子绕组端部某节点的位移时程图；
图5为本发明定子绕组端部鼻端不同区域的位移频响图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明的技术方案做出进一步详细地阐述。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。
实施例1
作为本发明一较佳实施例，如图1所示，本实施例公开了：一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法，该方法包括以下步骤：
S1、建立定子绕组端部中线棒的有限元三维模型，并将建立的三维模型导入到电磁分析软件中，通过电磁分析，得到线棒上各个单元在对应时间步长下电磁力密度的三个分量，并输出数据文件A；
S2、在结构分析软件中，设定定子绕组端部模型的接触关系、网格和边界条件，建立定子绕组端部中线棒的结构分析模型，并将线棒中所有节点和单元分别建立组件，生成数据文件B；
S3、首先读取电磁分析数据文件A中线棒的节点坐标，再读取结构分析软件生成的数据文件B中线棒的节点坐标；通过对两个文件中不同坐标值的循环查找，得到电磁分析与结构分析中相对应的节点对；将电磁分析数据文件A中线棒节点的电磁力密度赋予到结构分析数据文件B中线棒的节点上，得到结构分析模型中线棒节点电磁力密度的三个分量，写入到数据文件B中；
S4、读取结构分析模型中线棒各单位体积和节点信息；对每个单元相关节点上电磁力密度的三个分量求均值，得到该单元电磁力密度的三个分量；将单元电磁力密度的三个分量乘以对应单元的体积，得到该单元电磁力的三个分量；将单元电磁力的三个分量分配到该单元相关的节点上，得到单元节点电磁力的三个分量；
S5、将结构分析模型中的线棒上所有单元按照S4步骤进行积分运算，得到线棒上所有节点电磁力的三个分量；
S6、将S5步骤中得到的结构分析模型中线棒节点电磁力的三个分量加载到结构分析模型的线棒节点上，进行瞬态动力响应分析，并提取分析结果。
实施例2
作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1所示，本实施例公开了：一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法，包括以下步骤：
S1、建立定子绕组端部中线棒的有限元三维模型，并将建立的三维模型导入到电磁分析软件中，通过电磁分析，得到线棒上各个单元在对应时间步长下电磁力密度的三个分量，并输出数据文件A；
S2、在ANSYS结构分析软件中，设定定子绕组端部模型的接触关系、网格和边界条件，建立定子绕组端部中线棒的结构分析模型，并将线棒中所有节点和单元分别建立组件，生成数据文件B；
S3、通过APDL程序语言，首先读取电磁分析数据文件A中线棒的节点坐标，再读取结构分析软件生成的数据文件B中线棒的节点坐标；通过对两个文件中不同坐标值的循环查找，得到电磁分析与结构分析中相对应的节点对；将电磁分析数据文件A中线棒节点的电磁力密度赋予到结构分析数据文件B中线棒的节点上，得到结构分析模型中线棒节点电磁力密度的三个分量，写入到数据文件B中；
S4、通过APDL程序语言，读取结构分析模型中线棒各单位体积和节点信息；对每个单元相关节点上电磁力密度的三个分量求均值，得到该单元电磁力密度的三个分量；将单元电磁力密度的三个分量乘以对应单元的体积，得到该单元电磁力的三个分量；将单元电磁力的三个分量分配到该单元相关的节点上，得到单元节点电磁力的三个分量；
S5、将结构分析模型中的线棒上所有单元按照S4步骤进行积分运算，得到线棒上所有节点电磁力的三个分量；
S6、将S5步骤中得到的结构分析模型中线棒节点电磁力的三个分量加载到结构分析模型的线棒节点上，进行瞬态动力响应分析，并提取分析结果。
S4步骤中，线棒单元电磁力密度的三个分量表示为（Fdx，Fdy，Fdz）；该单元电磁力的三个分量表示为（Fx，Fy，Fz）；则电磁力计算公式如下：
Fx=VE*Fdx；
Fy=VE*Fdy；
Fz=VE*Fdz；式中，VE表示线棒单元体积。
S5步骤中，线棒上所有节点电磁力的三个分量的计算公式如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；式中，，e为线棒单元总数。
更进一步的，所述结构分析软件为ANSYS软件。
所述S3步骤中，是通过APDL程序语言实现的。
更进一步的，所述S4步骤中，结构分析模型中线棒各单位体积和节点信息是通过APDL程序语言读取的。
所述S5步骤，是通过APDL程序语言实现的。
实施例3
作为本发明又一较佳实施例，本实施例首先是建立定子绕组端部的有限元三维模型，再将三维模型导入电磁分析软件中进行电磁分析并得到电磁数据，再通过APDL汇编语言将电磁分析结果导入结构分析模型中，然后进行电磁和结构耦合并完成瞬态动力响应分析。最终得到能够真实反映定子绕组端部随时间和空间分布的动力响应（位移、速度、加速度、相位、频率），计算结果和实测值相吻合，比行业内普遍采用的分析方法可靠，准确。
接口程序逻辑过程如下：
1. 首先建立线棒的三维模型并导入到电磁分析软件中（建立的三维模型如图2所示），得到各个时间步长下电磁力密度的三个分量并输出数据结果文件A。定义一个数组B，然后将电磁分析数据结果文件A写入数组B。
2. 在结构分析软件ANSYS中，把所有模型的接触关系，网格和边界条件设置完毕。在ANSYS中将线棒的节点建立组件。通过APDL程序读取结构分析模型中线棒节点的三个坐标（X，Y，Z）；接着通过APDL程序读取数组B中电磁分析软件中节点的三个坐标（X，Y，Z）。
3. 将电磁分析软件和ANSYS分析软件中两个模型的节点坐标做一一对应，并将电磁数据结果赋予到结构分析中的节点，得到结构分析模型中节点三个分量的电磁力密度。节点查找过程是通过两次循环计算实现的，第一次循环是对电磁分析中的所有节点，第二次循环是对结构分析中的所有节点。
4. 在ANSYS中将线棒的单元建立组件。通过APDL程序得到结构分析模型中每个单元的节点和体积信息。将节点的电磁力密度和单元体积转换得到每个节点的电磁力，最后求解并提取分析结果。电磁和结构耦合流程如图1所示；线棒上电磁力分布如图3所示；端部某点的位移时程如图4所示；端部某点的动力响应频谱如图5所示。
本实施例通过空冷机组形式试验测得，定子绕组端部在频率为101.2Hz时，对应的振幅值为103.4μm；通过上述实施例1或实施例2记载的动力学分析方法，得到的计算结果为，定子绕组端部在频率为100Hz时，对应的振幅值为101.8μm，如图5所示，通过比较克制，本申请的分析结果和实测结果相吻合。

Claims (7)

1.一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、建立定子绕组端部中线棒的有限元三维模型，并将建立的三维模型导入到电磁分析软件中，通过电磁分析，得到线棒上各个单元在对应时间步长下电磁力密度的三个分量，并输出数据文件A；
S2、在结构分析软件中，设定定子绕组端部模型的接触关系、网格和边界条件，建立定子绕组端部中线棒的结构分析模型，并将线棒中所有节点和单元分别建立组件，生成数据文件B；
S3、首先读取电磁分析数据文件A中线棒的节点坐标，再读取结构分析软件生成的数据文件B中线棒的节点坐标；通过对两个文件中不同坐标值的循环查找，得到电磁分析与结构分析中相对应的节点对；将电磁分析数据文件A中线棒节点的电磁力密度赋予到结构分析数据文件B中线棒的节点上，得到结构分析模型中线棒节点电磁力密度的三个分量，写入到数据文件B中；
S4、读取结构分析模型中线棒各单位体积和节点信息；对每个单元相关节点上电磁力密度的三个分量求均值，得到该单元电磁力密度的三个分量；将单元电磁力密度的三个分量乘以对应单元的体积，得到该单元电磁力的三个分量；将单元电磁力的三个分量分配到该单元相关的节点上，得到单元节点电磁力的三个分量；
S5、将结构分析模型中的线棒上所有单元按照S4步骤进行积分运算，得到线棒上所有节点电磁力的三个分量；
S6、将S5步骤中得到的结构分析模型中线棒节点电磁力的三个分量加载到结构分析模型的线棒节点上，进行瞬态动力响应分析，并提取分析结果。
2.如权利要求1所述的一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法，其特征在于：S4步骤中，线棒单元电磁力密度的三个分量表示为（Fdx，Fdy，Fdz）；该单元电磁力的三个分量表示为（Fx，Fy，Fz）；则电磁力计算公式如下：
Fx=VE*Fdx；
Fy=VE*Fdy；
Fz=VE*Fdz；式中，VE表示线棒单元体积。
3.如权利要求1或2所述的一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法，其特征在于：S5步骤中，线棒上所有节点电磁力的三个分量的计算公式如下所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；式中e为线棒单元总数。
4.如权利要求1或2所述的一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法，其特征在于：所述结构分析软件为ANSYS软件。
5.如权利要求1或2所述的一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法，其特征在于：所述S3步骤中，是通过APDL程序语言实现的。
6.如权利要求1或2所述的一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法，其特征在于：所述S4步骤中，结构分析模型中线棒各单位体积和节点信息是通过APDL程序语言读取的。
7.如权利要求1或2所述的一种关于定子绕组端部电磁和结构耦合动力学分析方法，其特征在于：所述S5步骤，是通过APDL程序语言实现的。
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