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水力机组暂态诱发厂房机墩结构振动分析

作　者: 王剑
导　师: 张立翔
学　校: 昆明理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 地下厂房有限元仿真动力分析数值模拟共振校核
分类号: TV312
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着水力机组容量和水头的不断提高,机组振动稳定性问题的研究日益受到重视。由于厂房是机组的主要支承结构,振动必然会传递到厂房,从而诱发厂房结构振动。尤其是随着机组容量和厂房尺寸的增大,振动能量相应增大,振动问题一旦发生可能会更为严重。厂房是机组支承体系的重要部分,机组产生的激励力作用在厂房上,可能会引起厂房整体或局部构件的振动,包括振动和噪音,也有可能诱发副厂房的振动和噪音,影响到电站的正常运行和工作人员的舒适环境。水力机组的振动问题十分复杂,虽经过大量的长期的研究,其准确预测和完善解决还是很困难。特别是随着机组容量和水头的增大,巨型水力机组的振动问题尤为突出。国内外大中型水电站均有机组振动诱发结构振动,甚至导致结构破损而影响电站正常运行的实例。水轮机所产生的压力脉动通过蜗壳和尾水管作用于厂房水下钢筋混凝土结构,诱发结构振动。因此,若机组存在难以完全避免的振动,则应分析振动强度及其影响,进而研究消振减振措施或改进结构设计的途径。在三峡等大型水力机械厂房设计研究中,曾对水力振动开展了深入研究。这些研究内容有很重要的参考价值。本论文以某大型泵站地下厂房为实例,对大型水力机组暂态诱发的厂房结构振动进行了分析研究,主要做了以下工作：1.泵站机墩蜗壳结构不仅几何形状复杂,而且结构上开孔洞多,结构十分复杂。本论文结合ANSYS有限元软件,参照项目图纸资料,运用软件的前处理模块,建立了厂房结构的实体几何模型。为了获得体型较好的单元,提高有限元分析的精度,采用ICEM前处理系统分别处理机墩、金属蜗壳结构(以及其他固定部件等)、蜗壳外围混凝土结构生成计算所需的有限单元模型,单元的疏密控制取决于建模结构的最小部件的几何形状以及荷载作用位置和传递方式等。在计算范围内,对类似如进水管进人孔、机坑进人孔、楼板吊物孔等孔洞均进行了模拟。2.在已完成的厂房有限元模型基础上,应用ANSYS有限元软件,采用模态分析,进行了厂房结构固有振动特性的计算和机组振源特性分析,并根据结构的自振频率和各种激振荷载频率,按照一定的标准,对结构进行了共振校核。3.通过分析项目实验数据资料,确定了动力分析所需要的机组动荷载和水力激振荷载,并确定了几个典型工况。应用ANSYS有限元软件,采用谐响应分析法对这些典型工况进行了计算分析。对得出的各工况下典型部位的位移数据进行处理,得到了各工况下结构各典型部位的最大振动速度、加速度幅值及均方根值。参照相关规范要求,对数据结果进行了详细的分析评价。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-18
  1.1 研究背景及意义  10-12
  1.2 国内外研究动态  12-15
    1.2.1 水力机组振动研究的发展动态  12-14
    1.2.2 有限元法的发展  14-15
  1.3 本论文的研究内容  15-16
  1.4 计算机软件简介  16-18
第二章数值求解策略  18-31
  2.1 结构动力学的基本理论和方法  18-20
    2.1.1 结构动力学的基本理论  18
    2.1.2 结构动力学的基本方法  18-20
  2.2 有限元法的建模理论和计算方法  20-24
    2.2.1 有限元建模理论  20-22
    2.2.2 有限元计算方法  22-24
  2.3 动力学问题的有限元法  24-27
    2.3.1 动力学方程  25
    2.3.2 固有频率和振型  25-26
    2.3.3 动力响应分析  26
    2.3.4 直接积分法  26-27
    2.3.5 振型叠加法  27
  2.4 求解的策略方法  27-31
    2.4.1 动力特性分析  27-28
    2.4.2 谐响应分析  28-29
    2.4.3 有限元法的计算机应用  29-31
第三章水力机组地下厂房结构振动分析方法  31-38
  3.1 水力机组厂房结构的主要形式  31-32
  3.2 厂房振动概述  32-34
    3.2.1 引起厂房振动的主要振源  32-33
    3.2.2 主要荷载类型  33-34
    3.2.3 振动传递方式  34
  3.3 厂房机墩结构的振动分析方法  34-35
  3.4 厂房结构动力分析主要方法  35-38
    3.4.1 固有振动特性分析和共振复核  35-36
    3.4.2 振动反应计算方法  36-38
第四章厂房结构的共振分析实例  38-54
  4.1 计算模型  38-44
    4.1.1 建模范围及主要结构形式  38-40
    4.1.2 有限单元模型  40-42
    4.1.3 边界条件  42-43
    4.1.4 材料参数  43-44
    4.1.5 分析方法及结果的表述  44
  4.2 厂房结构的自振特性分析  44-48
    4.2.1 计算结果  44-47
    4.2.2 结果分析  47-48
  4.3 结构共振校核  48-52
    4.3.1 主要振源  48-50
    4.3.2 共振校核结果  50-52
    4.3.3 结果分析  52
  4.4 本章结论  52-54
第五章内源动力作用下结构振动反应分析实例  54-71
  5.1 计算模型  54-59
    5.1.1 算例设计  54-55
    5.1.2 计算荷载  55-56
    5.1.3 结构阻尼  56
    5.1.4 厂房结构的振动控制标准  56-59
  5.2 厂房结构的振动反应分析  59-67
    5.2.1 计算结果  59-65
    5.2.2 结果分析  65-66
    5.2.3 应力计算结果及分析  66-67
  5.3 荷载组合情况下的动力计算结果及分析  67-69
  5.4 本章结论  69-71
第六章结论与展望  71-73
  6.1 主要研究成果和结论  71-72
  6.2 研究展望  72-73
附录一  73-77
附录二  77-83
参考文献  83-87
致谢  87-88
硕士学习期间撰写发表的学术论文  88-90

水力机组暂态诱发厂房机墩结构振动分析

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