苏豪开题报告

1、毕业设计(论文)开题报告题目：大型旋转电机转子支架的有限元分析及计算 课 题 类 别： 设计 论文学 生 姓 名： 苏豪学 号： 201279250105班 级： 机电1201班专业（全称）： 机械制造及其自动化指 导 教 师： 何建军 2016 年 3 月一、本课题设计（研究）的目的： 现代社会，人类的生产劳动离不开各种各样的旋转电机，这些旋转电机，更是应用到各行各业的各个领域。工业生产部门与建筑业、交通运输、医疗办公设备与家用电器、航空航天国防以及其他领域都有涉及。转子支架作为连接转轴和磁轭成一体的中间部件，该结构的作用1，一方面是为了固定铁心与转轴，达到增加转子强度的目的；另一方面在机组

2、的运行中，还能够起到传递转矩的作用。由此可见，对于大型旋转电机的转动部分而言，支架的重要性不言而喻。一直以来，在转子支架的应力特性分析问题上，人们做了大量的研究。 以支架的承载方面为例，由文献可知，发电机在运行中支架的受力情况非常复杂，除静载荷和动载荷的作用以外，重力与离心力载荷的影响也不容忽视若支架的强度不足，则在各种载荷的综合作用下，势必会导致结构受 力不均、变形量过大、甚至产生裂纹等问题2。转子支架结构设计的合理与机组的安全运行及维护和产品的造价有很大的关系。ANSYS是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件。ANSYS 软件含有多种分析能力，包括简单线性静态分析和复杂非线性动态分析。可用

3、来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了预处理、解题程序以及后处理和优化等模块，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具。本课题其目的就是通过分析软件ANSYS对转子支架进行有限元的静力分析，改善转子支架。（注：大型发电机转子支架为例。） 二、设计（研究）现状和发展趋势（文献综述）： 1、设计（研究）现状随着有限元技术的不断发展和普及，其在现代设计中的应用领域也愈加广泛。在现代设计中，已广泛采用有限元技术对结构进行刚强度分析。对大型发电机行业亦是如此，目前采用有限元计算方法可以对其进行流场、结构等进行有限元分析计算，其应用主要涉及以

4、下四方面的内容：（1) 针对发电机重要受力部件的有限元计算。针对大型发电机的各种受力部件的有限元计算主要目的：是为了分析不同工况下转子、负荷机架、定子机座的刚、强度性能问题和对固有频率的计算，以保证大型发电机组的稳定安全运行。它不仅是适用于前期投标结构设计，还适用于为机组正式设计提供重要的指导，并可依据计算结果对结构进一步优化10。还能对已安装但是有问题的电站进行分析，并可根据相关的计算报告来进行下一步的处理。（2) 磁场分析现在磁场分析已经广泛应用于各大专院校及各大发电机机制造厂的研发工作。磁场分析中考虑的物理量是磁力、磁力矩、磁通量密度、磁场密度、阻抗、涡流、电感、能耗和磁通泄漏等。目前有

5、限元分析可进行交变磁场分析、静磁场分析、瞬态磁场分析、电场分析、高频磁场分析，在电磁计算中可准确模拟出各种磁场。（3) 热力学分析通风冷却系统对于大型发电机组很重要，它相当于整个机组的“肺”。通风冷却用以带走定、转子损耗所带来的热量，由风机迫使冷风循环，通过发电机内部的风道带走热量，并由空气冷却器冷却后，经风机再次循环。但是由于结构限制，机舱内部空间狭小，如灯泡式惯流机组定、转子之间的间隙大多做5mm 上下，故为了提高冷却效率、降低风阻，需要对通风冷却（过程或环节）进行严格的热力学计算。通过数值分析并形成报告，可对整个的冷却循环系统进行考核，是目前各大主机厂的通行手段。如果没有进行评估出现失误

6、，那么在投产后通风有问题，将很难解决。（4）流体分析流体分析主要运用在流体的流态、流量、流动及热交换，可提供强大的流体动力学分析，并可在流体约束质量的响应基础上，在结构动力学中采用耦合单元进行分析。2、发展趋势（文献综述）国内外的研究大型旋转电机转子支架其进行有限元分析时，一般比较其在额定工况及飞逸工况（发电机组在运行时,如果由于某种原因突然甩负荷,而此时刚好调速器系统失灵,导水机构事故关闭装置也发生故障,不能关闭导叶,这时机组的转速成将急骤上升,直到与随转速上升而增加的损失相平衡为止）下的各部件应力与变形。国外。2008年，俄国人R施特克尔等发明了一种转子支架用于用于连接电机的多件式转子支架

7、的部件3.20009年，西门子公司发明了一种转子，具有绕组支架，其被抗扭地布设于转子轴上,因而能在相对于转子轴线而言的中间部段,包围转子轴，对转子整体结构强度有了显著提升4。国内。2009年中国人民解放军军事交通学院的张学玲、唐毅等对发电机转子支架结构进行了有限元的优化设计。通过对结构静态分析及动态分析，比较了原转子支架结构与提出的另外三种修改转子支架结构（修改方案1：加大筋板厚度；修改方案2：在1的基础上，两边加上环板；修改方案3：改变结构形状，增加平行于端面的筋板）。由分析得，在额定工况（旋转频率为93.75/60=1.56Hz）与飞逸工况（旋转频313/60=5.2Hz）下，修改方案1对

8、转子结构应力及变形无改善，原因是筋板加厚其质量也增加，转动时离心力也增加。修改方案2在飞逸工况下对结构静刚度有一定改善，但正常额定工况下改善不明显，甚至变形有所增加。修改方案3无论最大应力还是变形都有大幅减小，说明增加平行于端面的筋板结构最好5。2010年哈尔滨大学的庞立军对水轮发电机转子支架热打键过盈量的确定进行了研究。其选取整个有限元模型的1/8进行分析，转子支架采用shell单元，磁轭磁极采用solid单元,支架立筋采用beam单元,在转子支架与磁轭之间采用gap间隙单元连接, gap单元的过盈量为磁轭热打键紧量D=0.36mm。采用couple对偶约束来满足剖分边界的周期对称条件,在轮

9、毂内缘处约束相应节点的自由度。应用该模型获得了满意的结果，表明应用有限元法与经典计算方法相结合来计算水轮发电机转子支架及转子装配的计算方法是可行的6。2011年，天津大学的张磊等对鑫陇电站灯泡式发电机组的转子支架运用有限元理论进行了分析研究。得出如下结论：(1) 把有限元技术运用于水轮发电机产品主要结构件的力学计算，把传统的经验公式计算转换为更加直观、更加接近实际工况的有限元分析方法，不仅提高了计算效率，更使得产品的修改更加方便。通过分析，三种转子支架结构在飞逸工况下的应力和变形都明显高于其它工况，因此飞逸工况是检验产品性能参数的重要工况之一，其性能参数决定了机组在失控情况下是否会产生破坏以及

10、破坏程度。故其主要的性能比较体现在飞逸工况下。 (2) 通过分析，腹板式转子支架结构简单，但只适合运用于小型机组；斜筋式新型转子支架，额定运行工况良好，但高速运转时变形较大，需要对其结构进行改进7。2012年，东芝水电设备有限公司的黄道锦等对灯泡贯流式机组转子支架进行了疲劳分析，对转子支架的使用寿命进行了评估。2012年齐齐哈尔二机床厂的崔东英针对传统的采用一个特征一个草图的建模方式，提出了转子支架的参数化建模，避免了在不同工作平面建立草图尺寸没有关联的情况，同时使得计算机计算过程简单，设计理念简洁。该方法对与建立转子支架的三维模型有很大的简化。另外，杨德马对水轮发电机斜支臂转子支架结构进行了

11、研究，通过ANSYS软件对其求解，得出转子支架斜度为27.5时转子支架最大等效应力最低8。广西大学 机械工程学院的温杰明，陈家权等对水轮发电机转子支架有限元分析及应力试验得出结论( 1) 发电机转子支架原型的辐板最大应力较高, 受交变应力再加上孔边应力集中、焊接区域的影响等, 此处工作应力将会很大, 容易引起疲劳破坏, 说明原设计不足。( 2) 动应力测试结果表明, 采用全桥应变测量电路,能够有效消除集流环接触电阻对测试信号的影响。测点位置的应力水平随机组出力增加而提高, 在满负荷出力状态下, 测点的最大应力幅值为 54.31MPa。测量数据将用于转子的工作特性评估和辐板的剩余疲劳寿命分析9。

12、3、 设计（研究）的重点与难点，拟采用的途径（研究手段）： 1、设计（研究）的重点与难点 （一）重点（1）了解支架的发展历史及国内外的研究现状，弄清楚几种常见的支架结构，并对其工作原理有较充分的认知。（2）熟悉转子支架的实际工作情况，并掌握其在停机工况、额定工况、飞逸工况下的受力情况。（3）利用ANSYS软件对支架进行静力学分析，非别对比不同结构的支架在不同工况下的应力、应变情况，得出其最大应力、应变的值，并得出其所在位置。（4）对不同支架的分析结果进行对比，依据已知结论提出支架的优化设想方案。（二）难点（1）转子支架数据搜集。转子支架的研究虽然历史也比较久了，但专门从事该方面的研究并不多，大

13、部分都是在研究机组时简略的研究下转子支架，所以其数据大多都不齐全，导致对转子支架的了解不够充分，从而对其分析不够贴合实际。（2）ANSYS软件的使用。本课题选用ANSYS分析软件对转子支架进行分析，因而要能熟练操作ANSYS软件。ANSYS软件是一款比较经典、优秀的有限元分析软件，但不易学会，且学习该软件要对有限元理论知识有一定了解，因此，对于有限元基础较薄弱的大学生来说，学好这门软件有一定难度。 2、 采用的途径（研究手段）（1）充分利用学校图书馆、学校中英文科技期刊网络数据库、免费网络资源等大量搜集有关结构有限元分析和优化设计的期刊文章、书籍等文献资料，掌握结构有限元分析和优化设计的基本理

14、论和方法。（2）通过对大量简单结构进行有限元分析，逐步熟悉有限元分析的过程和掌握ANSYS软件的基本操作。（3）向毕业设计指导老师进行请教。指导老师是该方面的专家，对其学生所做设计有比较充分的了解，是一个很好的学习资源。4、 设计（研究）进度计划：第1-3周 毕业实习第4-5周 完成外文翻译，文献综述和开题报告第6-8周 讨论设计实验方案并完成精密测量实验第9-11周 对实验数据进行不确定度理论分析并谈讨第12-14周 撰写论文并打印第15-17周 完成相关图纸，审阅、答辩五、参考文献：1 沈炜良，陈玮，边立静，等，发电机转子支架静态强度及动态特征研究J，现代制造工程。2005.（12):54

15、-562 何其东，转子支架刚强度分析J ,机电信息，2013，（15）:149-150.3 庞立军. 有限元法在水轮发电机转子支架热打键过盈量确定过程中的应用.机械工程师,2010，1:150-040.4黄道锦，汪小芳.灯泡贯流式机组转子支架疲劳分析研究.2012,4:310-016.5 瓦西里耶夫BH里纽切夫BA费拉托夫HA.转子支架可拆卸的水轮发电机法国电力公司水力学实验室资料1980,5.6Saeed Moaveni Finite Element Method Theory and Application with ANSYSJNew Jersey:Prentice-Hall Inc,1999.7 张磊 惯流水轮发电机组转子支架结构设计及有限元分