（机械电子工程专业论文）核电站鼓型滤网设备动静态特性分析.pdf

毒 1 气 ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g t h e a n a l y s i so f n u c l e a rp o w e rs t a t i o n d r um s c r e e n b yy a n gj i m i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uj i e n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 一l、r r i i 一 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：6 二 思。 学位论文作者签名：枥绣各久 日 期：z ，墨聿1 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 吖k 分分 东北大学硕士论文摘要 核电站鼓型滤网设备动静态特性分析 要 随着中国经济的发展，能源消耗日益增大，在电力方面传统的发电模式已不能满 足人们增长的用电需求，为了缓解用电需求增长的压力，核电站的建设数量日益增多， 但核能存在辐射问题，因此对核电设备的可靠性、安全性提出了更高的要求。 鼓型旋转滤网是大型火力发电厂和核电站供水系统的重要滤水设备，能有效地清 除水上大于网孔的草木、鱼虾及其它杂物，也可用于城市环保、自来水、冶金、化工 等行业的供排水系统。鼓型滤网主要由鼓骨架、主轴装配、驱动装置、冲洗水系统、 润滑系统、密封系统、操作平台、电气控制装置、阴极保护防腐装置等组成。鼓型滤 网由驱动装置带动传动轴上的小齿轮，并驱动鼓网上的大齿圈转动。 本文基于大型有限元仿真分析软件a n s y s ，对鼓型滤网先后进行了静态应力分 析、模态分析、抗震设计分析。为了便于划分网格提高解题精度，鼓型滤网的模型在 a n s y s 环境中直接建立。根据鼓型滤网工作时，鼓网内外水位差的不同，静力分析 又分为三种工况进行分析。在抗震分析中分别采用了反应谱分析和时间历程分析两种 方法进行了校核，绘制了关键点的位移、应力时程曲线。 关键词：鼓型滤网；有限元分析；a n s y s ；模态分析 ykp- li，hk， 东北大学硕士论文 t h ea n a l y s i so fn u c l e a rp o w e rs t a t i o nd r u m s c r e e n a b s t r a c t w i t hc h i n a sf a s td e v e l o p m e n t , t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni s i n c r e a s i n g t h et r a d i t i o n a le l e c t r i c i t y g e n e r a t i o nm o d e lc a nn o tm e e tt h ep e o p l e sg r o w i n gd e m a n df o re l e c t r i c i t y , i no r d e rt oe a s et h ep r e s s u r e o ne l e c t r i c i t yd e m a n d ，t h ec o n s t r u c t i o no fn u c l e a rp o w e r p l a n t si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t , b u tt h ee x i s t e n c eo f n u c l e a rr a d i a t i o nl e a d st ot h eh i g l lr e l i a b i l i t yo f t h en u c l e a rp o w e re q u i p m e n t d r u m s c r e e ni sa ni m p o r t a n tf i l t e re q u i p m e n tf o rt h e r m a lp o w e rp l a n t sa n dn u c l e a rp o w e rp l a n t i t c a r le f f e c t i v e l yr e m o v ev e g e t a t i o n , f i s ha n do t h e rd e b r i sw h i c hi sb i g g e rt h a nt h em e s h i tc a na l s ob e u s e df o ru r b a ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , w a t e rs u p p l y , m e t a l l u r g y , c h e m i c a la n do t h e ri n d u s t r i e sf o rt h e w a t e rs c r e e ns y s t e m d r u mf i l t e rd r u ms k e l e t o nf r o mt h em a i ns p i n d l ea s s e m b l y , d e v i c ed r i v e r s ，f l u s h i n g w a t e rs y s t e m s ，l u b r i c a t i o ns y s t e m ，ac l o s e ds y s t e m ，o p e r a t i n gp l a t f o r m s ，t h ee l e c t r i c a lc o n t r o ld e v i c e s ， a n t i - c o r r o s i o nc a t h o d i cp r o t e c t i o nd e v i c e sa n ds oo n d r u m s c r e e ni sd r i v e nb yt h ed r i v es h a nw i t ha s m a l lg e a r , a n dt h ei n t e r a c t - d r i v e nd r u mm a j o rg e a rr o t a t i o n b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，i l ld ot h es t a t i cs t r e s sa n a l y s i s ，m o d a l a n a l y s i s ，s e i s m i cd e s i g na n a l y s i s i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n dm e s he a s i l y , w e 1 1m a k et h e d r u m s c r e e nm o d e li nt h ea n s y se n v i r o n m e n td i r e c t l y a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eo ft h ew a t e rl e v e r b e t w e e nt h ei n s i d ea n do u t s i d ed r u m s c r e e n , t h es t a t i ca n a l y s i si sd i v i d e di n t ot h r e ew o r k i n gc o n d i t i o n s f o ra n a l y s i s i nt h es e i s m i ca n a l y s i sw eu s e dt w om e t h o d s ：t h er e s p o n s es p e c t r u ma n a l y s i sa n dt h et i m e h i s t o r ya n a l y s i s a tl a s t1w i l ld r a wt h es t r a i na n ds t r e s sc u r v e k e y w o r d s ：d r u mf i l t e r ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；a n s y s ；m o d a la n a l y s i s ，一一， y ；o 。p 东北大学硕士论文 目 录 目录 独创性声明：i 摘j 要：i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 鼓型滤网简介。1 1 1 1 鼓型滤网发展概况1 1 1 2 鼓型滤网组成及工作原理l 1 2c a e 技术及其应用2 1 2 1c a e 的概念一2 1 2 2 有限元法概述2 1 3 有限元法基本构成3 1 3 1 有限元法常用术语3 1 3 2 有限元法分析过程3 1 4 有限元模型网格划分5 1 4 1 复杂有限元网格划分的基本原则5 1 5 问题提出8 1 6 本文的工作9 第二章模型的建立及静力分析1 1 2 1 结构静力分析概述1 l 2 2 三维实体模型1 1 2 3 有限元模型的建立1 1 2 3 1 模型简化1 1 2 3 2 单元类型及属性1 2 2 3 3 模型数据及分布。1 3 2 4 静态工况静力分析15 2 4 1 载荷与约束1 5 2 4 2 静态工况分析结果1 6 2 4 2 1 总体结构16 东北大学硕士论文 目 录 2 4 2 2 轴结构l7 2 5 动态工况静力分析1 8 2 5 1 载荷与约束18 2 5 2 高速0 5 米水位差分析结果2 0 2 5 3 高速1 0 米水位差分析结果高水位工况2 3 2 6 鼓形滤网的应力分析2 7 2 6 1 水位差1 5 米静水压力工况2 7 2 6 2 高速0 5 米水位差2 8 2 6 3 高速1 0 米水位差3 0 2 7a 幅与主横梁连接处v o nm i s e s ( s e q v ) 应力。3 3 2 8 齿圈固定槽钢与主横梁连接处v o l lm i s e s ( s e q v ) 应力3 4 2 9 本章小结3 6 第三章鼓型滤网结构自振特性分析3 7 3 1 模态分析概述3 7 3 2 模态分析方法3 7 3 3 模态分析求解步骤。3 7 3 3 1 建立模型3 7 3 3 2 加载以及求解3 8 3 3 3 扩展模态3 9 3 3 4 观察结果3 9 3 4 鼓型滤网的模态分析3 9 3 4 1 模态分析模型3 9 3 4 2 模态提取方法3 9 3 4 3 加载与求解3 9 3 4 4 扩展模态。3 9 3 4 5 模态分析的结果4 0 3 5 鼓型滤网固有频率与振型分析4 0 3 5 1 结构模态分析的基本原理4 0 3 5 2 鼓型滤网结构的模态计算4 1 3 6 本章小结4 6 第四章结构抗震反应谱分析“4 7 4 1 引言4 7 4 2 地震作用理论4 7 v i ，鑫 p l，、r 、 ； ； 东北大学硕士论文 目 录 4 2 1 地震作用4 7 4 2 2 静力理论4 9 4 2 3 动力理论一4 9 4 3 反应谱4 9 4 3 1 反应谱概念。4 9 4 3 2 谱分析技术4 9 4 3 3 反应谱的形成5 0 4 4 滤网结构响应谱分析5 2 4 4 1 工程概况5 2 4 4 2 有限元模型及单元材料属性。5 2 4 4 2x 方向激励反应谱分析5 2 4 4 3y 方向激励反应谱分析5 4 4 4 4z 方向激励反应谱分析5 6 4 5 本章小结：5 8 第五章结构地震响应时程分析5 9 5 1 时程分析的必要性5 9 5 2 时程分析原理5 9 5 - 3 地震波的选取6 0 5 4 计算结果分析及数据处理6 l 5 4 1 输入垂直向( 地震波6 1 5 4 2 输入南北向( x ) 地震波6 4 5 4 3 输入东西向( z ) 地震波6 6 5 5 本章小结6 8 第六章结论与建议6 9 6 1 结论6 9 6 2 展望6 9 参考文献7 0 致 谢7 3 y ； p 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 第1 章绪论 1 1 鼓型滤网简介 1 1 1 鼓型滤网发展概况 鼓型滤网的研制在我国尚处于起步阶段，为此国家计委已将其列为“八五”、“九 五重点科技攻关项目。鼓型旋转滤网是大型火力发电厂和核电站供水系统的重要滤 水设备，能有效地清除水中大于网孔的草木、鱼虾及其它杂物。也可用于城建、冶金、 化工等行业的供排水系统。鼓型滤网如图1 1 所示主要由鼓骨架、主轴装配、驱动装 置、冲洗水系统、润滑系统、密封系统、操作平台、电气控制装置、阴极保护防腐装 置等组成。 图l - l 鼓型旋转滤网简图 f i g 1 1t h es k e t c ho fad r u m s c r e e n 1 1 2 鼓型滤网组成及工作原理 旋转滤网是一个水平布置的可旋转的钢结构。由1 根水平放置，直径为尹4 0 0 m m ， 长为5 7 1 2 m m 的实心轴为固定支撑。轴两端的辆承箱安装在两侧的7 1 8 0 m 平台上。 轴上装配2 个轮毂，每个轮毂上需各装2 0 根槽钢轮辐，组成2 0 组a 字梁。在旋转滤 网的外旋转面的中部，固定9 0 块弧状齿条构成齿圈。整个旋转滤网外旋转面共装了 2 4 0 块孔径为尹3 m m 的筛网板。在旋转滤网的轮缘上装有侧密封橡胶与安装在对应位 置墙上的侧密封板一起构成侧密封装置。旋转滤网的驱动是通过驱动装置的小齿轮与 旋转滤网齿条的外齿啮合来实现的，整个构架总重约4 5 t 。 鼓型滤网由驱动装置带动传动轴上的小齿轮转动，小齿轮再驱动鼓网上的大齿圈 旋转。随着鼓网的运转，网板把杂物捞出水面带到地面上的一定位置时由冲洗水将杂 物冲入集污槽中排除。 鼓型滤网按进出水的方式分两个系列：g 卅网内进水，网外出水；g w w 一网 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 外进水，网内出水，均可设计成单侧或双侧进出水。g w n 系列鼓网的最大直径为尹2 0 m ， 最大宽度为5 m ；g w w 系列鼓网的最大直径为2 4 m ，最大宽度为8 m 。鼓型滤网的特点 是： 1 、除污效率高，密封效果好，过水洁净度高； 2 、与板框滤网比较，占地面积相同时，过水量大； 3 、易损件少，维修简便，费用低； 4 、使用寿命长。 1 2c a e 技术及其应用 1 2 1c a e 的概念 现代工业的进步完全得力于计算机科技的突飞猛进。将计算机硬件和软件用于产 品的开发、设汁、分析与制造。已成为近代丁业提升竞争力的主要力法。企业要在激 烈的市场竞争中立于不败之地，就必须不断进行产品创新。c a d c a m 是实现创新 的关键手段，c a e 则是实现创新设计的技术保障。 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 是用计算机软件直接从事图形的绘 制与结构的设计。 计算机辅助工程( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a e ) 是用工程上分析的过程及计算方法 来辅助工程师作设计后的分析或进行同步工程。 计算机辅助制造( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，c a m ) 是直接用计算机来辅助操 纵各式各样的精密工具机器以制造出不同的零部件， 传统的工业产品大多是依据个人的经验设计而成。一般先以经验做出初次的设 汁，再由此初步的设计去做h i 原始模型、最后做出成品，成品完成以后，进行实验 以确保产品的可靠性。这种方法基本上是试误法( t r ya n de r r o r ) ，即初级成品经测试不 能满足工程或品质上的需求时，再回去修改原设计图重新做出试件，然后再进行测 试。此方法费时且成本相当高。若使用c a e 进行辅助设计，则在设计图完成后，可连 接c a e 进行各式各样的分析，并且可导入最优化模块( o p t i m i z a t i o n ) ，在短时间内完成 产品设计。 c a e 技术的发展动力是c a d c a m 技术水平和应用水平的提高，其发展条件是计 算机及图形显示设备的推出，其核心内容是计算机模拟与仿真，其理论基础是有限元 法( f i n i t ee l e m e n tm e t l l o d ，f e m ) 、边界元法( b o u n d e re l e m e n tm e t h o d ，b e m ) 、有限差分法 ( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d f d m ) 等现代力学方法。 1 2 2 有限元法概述 有限元法最初是用来研究复杂的飞机结构中的应力，它是将弹性理论、计算数学 和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析技术。后来由于这种方法的灵活、快 速和有效性，迅速发展成为求解各领域数理方程的一种通用的近似计算方法。目前， - 2 飞 哮。 每、 ； ， ，： t 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 它在许多学科领域和实际工程问题中得到广泛的应用，团此，在工科院校和工业界受 到普通的重视。 。 在求解工程技术领域的实际问题时，建立基本方程和边界条件还是比较容易的， 但是小下其几何形状、材料特性和外部载荷的不规则性，很难求得解析解。因此，寻 求近似解法就成了必由之路。经过多年的探索，近似算法有许多种，但常用的数值分 析方法是差分法和有限元法。 差分法计算可给出模型基本力程的逐点近似值( 差分网格上的点) ，但对于不规则 的几何形状和不规则的特殊边界条件差分法就难以应用了。 有限元法把求解区域看作内许多小的亦节点处互相连接的子域( 单元) 构成，其模 型给出基本方程的人单元近似解。出于单元可以被分割成各种形状和大小石同的尺寸， 所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件再加上有 成熟的大型软件系统支持，它已成为一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。 1 3 有限元法基本构成 1 3 1 有限元法常用术语 有限元法的基本思路是“化整为零积零为整。它的求解步骤是：将连续的结构 离散成有限多个单元，并在每个单元中设定有限多个节点将连续体看作是只在节点 处相连接的一组单元的集合体；然后选定场面数的节点值作为基本来知且，并在每一 单元中假设一个近似的插值函数以表示单元中场函数的分布规律；进而利用力学中的 变分原理建立用以求解节点未知量的有限元法方程从而将一个连续域中的无限自由 度问题化为离散域中的有限自由度问题。求解结束后，利用解得的节点值和设定的插 值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。 1 3 2 有限元法分析过程 应用有限单元法分析的一般过程流程图如1 2 所示步骤及其相互关系。 - 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 - 2 有限元分析流程图 f i g 1 - 2t h ef l o w c h a r to f f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 有限元分析中各主要步骤的主要工作如下： ( 1 ) 研究分析结构特点。研究分析所需求解对象的结构特点，包括形状、边界条件、 工况载荷特点；初步建江物理力学模型，包括形状的简化、构件间连接的简化、支承 的简化、材料的简化、截面特性的简化、载荷的分析等。这一步工作的好坏对整个计 算影响很大。 ( 2 ) 形成有限元计算模型。根据结构特点，确定单元类型，选取节点，形成网格图， 同时选定支承及边界条件以及决定载荷的处理，最终形成计算数据文件。这一步既对 选择怎样的软件有影响，又受所选软件的限制和制约，因为选定所用的软件后，单元 类型、单元数据、节点数据、边界与载荷的处理，以及最终的数据文件都要按软件规 定处理。 ( 3 ) 选择有限元软件或编制计算程序。根据结构的计算模型，选择或编制有限元计 选定所用软件后，又要根据软件的要求修改计算模型。 ( 4 ) 上机试算。为了检验计算模型的正确性，同时熟悉所选定的软件，或者考核新 编制的程序一般要进行试算。试算时可在所形成的计算模型上加单位载荷，确认计 算结果正确无误后方可进入下一步。 一4 、 p 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 5 ) 计算模型准确性判别。试算顺利结束后，一定要根据试算结果判别计其模型是 否推确，这是关系到有限元分析是否准确无误的关键。最常用的方法是将计算结果与 通过试验测量的结果进行比较，如果两者之间的误差在工程允许范围内，则认为这个 计算模型是准确的。判别的其他方法还有，根据理论计算结果( 如果存在的话) 及常识 进行判别，或对同一问题用其他软件计算的结果进行分析比较。 ( 6 ) 修改计算模型或修改程序。当试算结果误差过大时，应重新修改计算模型，有 时甚至要更新计算模型。修改计算模型可从单元的类型、节点与单元的划分和边界条 件等着手。对自编程序，可以检查、分析程序的每一步骤，特别要注意数据的传递等， 确保程序各方面无任何错误。如果使用的是通用软件，则可通过验证题、使用于册等 途径进一步熟悉程序。理解输入、输出数据的确切合义。 ( 7 ) 正式计算以及计算结果整理。若结构的计算模型判别为是准确的，则可施加各 工况载荷进行正式计算。计算完成后，要对计算结果进行整理，以得到结构的应力图、 变形图或振型图等。 ( 8 ) 结构设计方案的判别。根据整理得到的计算结果，如应力图、变形图等，来判 断设计方案是否合理。若得出结构的薄弱区域或者强度富裕区域等设计不合理之处， 可对结构进行修改，并修改相应计算模型，重新计算。若设计方案合理，则输出最终 较佳的设计方案。 1 4 有限元模型网格划分 划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，工作量较 大，所划分的网格形式由于划分者的水平和思路的不同而千差万别，因而对计算精度 和计算规模将产生直接影响。 1 4 1 复杂有限元网格划分的基本原则 为建立正确的、合理的有限元模型，下面介绍划分网格时应考虑的一些基本原则。 1 4 1 1 网格密度 有限元结构网格数量的多少将直接影响计算结果的精度和计算规模的人小。一般 来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定 网格数量时应权衡这两个因素综合考虑。网格较少时增加网格数量可以使计算精度明 显提高，而计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网 格时精度提高甚微，而计算时间却有大幅度增加。所以应注意增加网格数量的经济性。 实际应用时可以比较疏密两种网格划分的计算结果，如果两次计算结果相差较大，应 该继续增加网格，重新计算，直到结果误差在允许范围之内。 在决定网格数量时还应该考虑分析类型。在静力分析时，如果仅仅是计算结构的 变形，网格数量可以少一些。如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下取相对 较多的网格。同样在响应计算中，计算应力响应所取的网格数应比计算位移响应多。 - 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 在计算结构固有动力特性时，若仅仅是计算少数低阶模态，可以选择较少的网格，如 果计算的模态阶次较高，则应选择较多的网格。在热分析中，结构内部的温度梯度不 大，不需要大量的内部单元，这时可划分较少的网格。 有限元分析原则是把结构分解成离散的单元，然后组合这些单元解得到最终的结 果，这是一种常用的近似技术。其结果的精度取决于单元的尺寸和分朽，粗的网格往 往其结果偏小，甚至比实际结果低2 0 到4 0 。所以必须保证单元足够小，考虑模型 更多细节，以得到较好的结果。由于粗的网格得到的结果是非保守的，因此我们要认 真查看结果，以确定它与实际差多远。很幸运，有几种技术帮助分析人员来判断其误 差。有些很早就被采用了，而有些是近几年才发展起来的。 最早和最常用的技术是用分析人员对结果判断的经验来估计网格的质量，以确定 网格是否合理，如通过看云图是否与物理现象相一致，如果云图线沿单元的边界或与 实际现象( 如：全息技术、脆性涂层或其他实验技术) 不一致，那么很有可能结果是不 正确的。你可以观看云图，回忆一下是否与先前某种模型分析相似，而在那个模型分 析通过后续的分析发现某个量的错误。你可以运用你的分机经验和你对该问题的了解 确定计算机上看到的结果是否达到精度，当然这种方法极端主观。 更多的评价网格误差的方法是通过比较平均的节点结果和不平均的单元结果， a n s y s 提供了两条显示结果的命令：p l n s ，p l e s 。前者是显示平均的节点结果，后 者是显示不平均的单元结果。p l n s 命令是计算节点结果，它是通过对该节点周围单 元结果平均后得到的，分析结果是基于单元高斯积分点的值，然后外插得到每个节点， 因此在给定节点周围的每个单元都由自己的单元计算得到，所以这些节点结果通常是 不相同的，p l n s 命令是在显示结果前将每个节点的所有结果进行了平均，所以看到 的云图是以连续的方式从一个单元过渡到下一个单元。而p l e s 命令不对节点结果平 均，所以在显示云图时单元和单元之间是不连续的。这种不连续程度在网格足够峦的 时候会很小或不存在，而在网格较粗时会很大。由于p l n s 结果是一个平均值，所以 它总是比p l e s 命令得到的结果要小，它们的差可以较好地表示网格的密度，而民由 于p l n s 是一种平均结果，所以它比p l e s 命令欠保守，对结果估计不足，而由p l l e s 命令显示的结果比较保守。 在最近几年，a n s y s 软件提供了两个误差估计显示选项：s d s g 是针对结果问题 的，t d s g 是针对热问题的。s d s g 和t d s g 提供了对每个单元的绝对误差估计，可 以用p l e s 命令来显示，很好地估计误差。你不仅可以用p l e s 命令来显示，你也可 以用e t a b 命令把它们调入单元表中，然后用p l e t 命令显示它们。通过把s d s g 和 t d s g 储存在单元表中，你可以将其他结果也存入单元表中，然后将s d s g 或t d s g 与它相加。 一种更新的估计网格密度的方法是比较用p o w e r g r a p h i c s 所得结果和用f u l l g r a p h i c s 所得结果，这种技术仅限于实体模型采用四面体单元的情况，但它十分有效 - 6 、 妒 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 和精确。为了了解它的原理，让我们来看一下p o w e r g r a p h i c s 和f l l l lg r a p h i c s 的差别。 在早期的a n s y s 版本中，所有的结果显示都用叫做f u l lg r a p h i c s 的技术来得到的， 它是考虑共节点的所有单元的结果。而p o w e r g r a p h i c s 是a n s y s 5 1 版本开始引入的 技术，它是通过只显示暴露在表面的单元的数据来加快显示速度。它与f u l lg r a p h i c s 不一样，后者考虑共节点的所有单元数据，不论它是否暴露在表面与否。在后处理分 析结果时，只有当所有与表面相关的单元都暴露在表面时，p o w e r g r a p h i c s 和f u l l g r a p h i c s 显示才相同，这在六面体单元时总是成立。然而，四面体网格中有这样的单 元，它与表面接触的可能只有一个节点，那么p o w e r g r a p h i c s 在计算结果时就忽略了 这些单元的值。这就是为什么用p o w e r g r a p h i c s 显示的结果要比f u l lg r a p h i c s 的高， 显然用p o w e r c j r a p h i c s 显示的结果要比f u l lg r a p h i c s 更精确，只要所选的单元的最大 值就在外部，并且不存在奇异性。不管最大值是否在外部和内部，如果某种网格下用 p o w e r g r a p h i c s 和f u l lg r a p h i c s 得到结果不一样，说明这种网格密度是不够的。 总之，在考查结果时记住以下的几条原则：首先，用你的经验去判断所得到的云 图是否与你理解的物理现象一致；其次，不平均的节点结果( p l e s ) 通常要比平均的节 点结果( p l n s ) 大，所以它要偏保守；第三，p o w e r g r a p h i c s 的结果一般比f u l lg r a p h i c s 的结果精度高；第四，s m n b 和s m x b 的值如果接近最小和最大值时，网格误差铰小。 1 4 1 2 网格疏密 网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的 分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位( 如应力集中处) ，为了较好地反映数据变 化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型 规模，则应划分相对稀疏的闷格，整个结构划分后表现出疏密不同的网格划分形式。 采用疏密不同的网格划分，既可以保持相当的计算精度，又可使网格数量减小。因此， 网格数量应增加到结构的关键部位，在次要部位增加网格是不必要的，也是不经济的。 这就要求分析者有一定的力学知识基础，能预见结构的哪些部位计算数据变化梯度较 大。 划分疏密不同的网格主要用于应力分析( 包括静应力和动应力) ，而计算固有频率 模态特性时则趋于采用较均匀的网格形式。这是因为固有频率和振型主要取决于结构 质量分布和刚度分布，不存在类似应力集中的现象。采用均匀网格可使结构刚度矩阵 和质量矩阵的元素不致相差太大，可减小数值计算误差。同样，在结构温度场和流场 计算中也趋于采用均匀网格。 1 4 1 4 网格质量 网格质量是指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度。质量太差的网 格甚至会中止计算。直观上看，网格各边或各个内角相差不大，网格面不过分扭曲， 边节点位于边界等份点附近的网格质量较好，网格质量可用细长比、锥度比、内角、 翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量，这些参数均可以利用a n s y s 单元检 - 7 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 查功能获得。划分网格时一般要求网格质量能达到某些指标要求，一般a n s y s 程 序在单元检查中会给出默认指标要求，可以满足工程计算要求。在重点研究的结构关 键部位，应保证划分高质量网格，如果存在个别质量很差的网格也会引起很大的局部 误差。而在结构次要部位，网格质量可适当降低。卡模型中存在质量很差的网格( 称为 畸形网格) 时，将会导致计算过程将无法进行。 在二维结构分析问题中，单元形状应该取四边形。在三维结构分析问题中，通常 将单元划分成规则六面体形状。以上准则可以有效地控制单元和节点规模，并且能有 效保证单元质量。 1 4 1 7 网格布局 结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型表现出相应的对称特性( 如 集中质量矩阵对称) 。不对称布局将会引起一定误差。 1 4 1 8 节点和单元编号 节点和单元的编号影响结构总刚度矩阵的带宽和波前数，因而影响计算时间和存 储容量的大小，因此合理的编号有利于提高计算速度。但对复杂模型和自动分网而言， 人为确定合理的编号很困难，目前许多有限元分析软件自带有优化器，网格划分后可 进行带宽和波前优化。 a n s y s 软件具有压缩节点号和单元号的功能，即命令m n c m p ，a l l ，可以有效 减小带宽和波前数，提高求解速度。 1 5 问题提出 目前对结构应力及稳定分析方法有：结构力学法、材料力学法和有限元法。结构力 学法和材料力学法在鼓型滤网应力及稳定分析计算中比较简单，但是对于比较复杂的 结构过于简化计算模型将导致计算结果不能反映整体结构的实际应力状态，尤其在某 些应力状态比较复杂的部位由于过于简化而引起计算结果错误，而且结构力学法和材 料力学法对于求解瞬态及动力学问题也比较困难。 鼓型滤网结构主要包括主轴，轮毂、辐条，横梁，鼓网，传动齿轮等结构。从严 格意义上讲，鼓型滤网结构是一个空间结构，只要某一局部受到荷载的作用，整个体 系都要受到影响而产生一定的内力，因此要分析鼓型滤网结构的受力情况是一个比较 复杂的问题。为了简化结构计算，通常将复杂的空间结构分解为若干平面结构进行分 析计算，但是对于复杂结构来说，简化过程却难以把握在这种情况下，工程设计往往 只进行一些近似的分析，然后依靠设计者的经验、已建工程的类比、模型试验和适当 加大安全系数等方法来保证工程的安全。 对于复杂的空间结构而言，荷载的分布往往也很复杂，几何特征和荷载特性均与 弹性理论中的平面应变条件有较大的差别，对于这样的空间体系，如果简化为平面问 题分析，误差将更显著。按照空间问题进行主轴、轮毂和鼓骨架结构件的联合受力分 8 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 析，可以比较精确地求得其应力和变形情况。 有限元方法是力学、计算数学和现代计算技术相结合的产物，是一种求解微分方 程和初值问题的强有力的数值方法，随着电子数字计算机的发展，有限元方法已使结 构分析所能处理的规模和深度进入了一个崭新的发展阶段。对于一个多层复杂的空间 结构，用常规的结构力学分析方法难以得出各组合部件的力，合理的方法是用三维有 限单元法求解。 鼓型滤网结构中多为柱体、梁、楼板和薄壁结构，在有限元单元形式中，可以用 常规的弯曲梁单元和板壳单元进行模拟，也可以得到单元内部的内力值。但对于主轴、 轮毂、齿轮块等，为得到更精确的有限元解应采用三维体单元。本文对于骨架结构件 采用s h e l l 6 3 单元，主轴及齿轮块结构采用s o l i d 4 5 单元，而轮毂结构采用s o l i d 9 5 单元。 另外处于对结构安全性的考虑，需要进行地震谱响应分析。抗地震设计的动态分 析方法，主要特点在于载荷的不确定性以及由此带来的分析方法的不同。设备所处位置 在未来几十年内将发生地震的大小、形式是很难准确预测的，这就给结构的抗震分析带 来了一定的困难。工程上处理这个问题的方法是，根据该地区历史上发生过的地震来确 定它的抗震级别，估计将来地震的“大小及预测可能发生地震的形式。一般是借助类 似地区的一些地震记录作为输入地震依据。时间历程、响应谱和功率谱密度函数三种 方法均可作为输入地震，一般采用前两种方法。 1 6 本文的工作 循环水和安全水鼓型滤网是电厂过滤海水使之用作冷却循环水的设备。确保这些 设备在各种( 包括地震) 情况下的安全，是有重大意义的。本文结合东北大学机械电子工 程研究所和沈阳凯特电站滤水系统工程有限责任公司合作项目秦山核电站鼓型旋 转滤网组件有限元分析，进行三维空间有限元静力分析计算、模态分析、地震响应谱 分析以及校核螺栓强度的接触分析。本文主要完成以下工作： ( 1 ) 查阅大量资料，综述了国内外的有限元技术的发展情况和重要作用，简单讲述 了鼓型滤网在核电站的应用情况，介绍了鼓型滤网的主要结构形式。 ( 2 ) 滤网结构主要分析方法有：结构力学法、材料力学法和有限元法。介绍了用有限 元方法分析的一般流程并讲述了有限元单元法的应用。分析了对鼓型滤网进行空间分 析的必要性。 ( 3 ) 介绍空间三维有限单元法的基本理论，考虑在建立三维有限元模型时，为了使 模型更符合工程实际情况所要采用的单元模式。讨论空间杆件单元和块体单元相互协 调问题；阐述接触单元的应用方法；了解薄层单元的基本原理、发展和应用。 ( 4 ) 建立鼓型滤网三维有限元模型，合理模拟整体结构情况，对鼓型滤网在各种荷 载组合下进行了有限元计算分析。 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 5 ) 分析比较了各种水位工况下，鼓型滤网的应力、位移和弯矩。给出在各荷载组 合工况下的滤网总体的变形、应力情况通过对计算成果的分析，对站身结构的合理性 进行评价，并给出满足工程设计要求的