水电站机组与厂房耦联结构螺栓连接传力机理及振动特性影响分析

发布时间：2020-10-17 23:05

　　 随着水电的快速发展及装机容量不断增大,结构巨型化和工况变化频繁已成必然趋势,机组轴系-支承-厂房耦联结构间的相互作用及系统稳定性问题愈发突出。水电站中很多构件由螺栓装配到一起,组合部件刚度相对较低,对于整体耦联结构振动特性必然存在一定影响,应在动力设计中重点关注。但由于影响因素众多且复杂,目前国内外对于水电站耦联结构螺栓连接问题尚未进行深入研究,仅限于螺栓强度验算以及研究制造安装工艺问题。本文对高强螺栓受力滑移规律及动力学建模方法进行探索,并结合实际工程建立有限元模型,采用不同方案对松动及不同预紧力情况进行模拟计算分析,揭示螺栓连接对水电站耦联结构振动特性的影响规律,主要工作和成果如下:1.分析了单搭接单螺栓有限元模型位移载荷曲线并对比了四种动力学建模方法,结论认为:增大预紧力将提高螺栓连接件切向承载能力且预紧状态下连接件滑移过程可分为摩擦黏结、部分滑移、完全滑移三个阶段;相较于粘接、梁单元MPC以及弹簧阻尼法,虚拟介质法有着建模方便、通用性强、计算精度高等优点,更适合用于有着大量螺栓连接的组合结构中,为研究水电站耦合结构动力特性提供了一种准确有效的建模方法。2.利用虚拟介质法建立了带有下机架的水电站厂房有限元模型,模拟了一个基础板螺栓松动情况并进行静、动力分析,提取了各支臂水平向受力加以比较,结果表明:螺栓松动会降低机架、机墩的竖向、水平向最小刚度,增大下机架各点综合应力,相邻支臂内侧立筋与上环板连接位置易率先发生破坏,不利于机组安全运行;松动也降低了耦联结构固有频率,出现局部支臂振动形式,使该支臂成为耦联结构薄弱环节,同时机架及厂房各部位振幅增大,对结构抗振不利;松动支臂水平承载能力急剧降低,相邻两支臂受力急剧增大,其上螺栓易率先发生疲劳破坏。3.对五种预紧力方案下水电站机墩单体及耦合结构进行了模态及谐响应分析,结果表明:下机架对于机墩单体结构的约束较小,计算自振特性时可以忽略;预紧力对于厂房结构横向刚度的影响大于纵向,增大预紧力在一定程度上提高了机组支承—厂房耦合结构的刚度,极大减小了机架的振幅,有利于机组稳定运行;预紧力较小时连接刚度较低,加剧支承机架的振动,此时应在研究过程中充分考虑实际预紧状态以保证计算结果的精确性和可靠性,而当各处螺栓预紧应力均达到材料屈服强度的60-70%时,可在建模时直接采用刚性连接以提升计算效率,计算精度也可得到保证。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV312
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 螺栓固定结合面研究进展
        1.2.2 螺栓连接建模方法研究进展
        1.2.3 螺栓连接对水电站耦联系统振动特性影响研究进展
    1.3 本文主要研究内容
2 分析理论与计算模型
    2.1 分形理论
    2.2 虚拟介质解析模型
    2.3 动力分析理论
        2.3.1 模态分析
        2.3.2 谐响应分析
    2.4 工程实例及有限元模型
        2.4.1 工程概况
        2.4.2 计算参数
        2.4.3 有限元模型
3 高强螺栓传力机理及动力学建模方法研究
    3.1 高强螺栓传力机理研究
        3.1.1 模型参数及边界条件
        3.1.2 预紧载荷的施加及锁定
        3.1.3 结果分析
    3.2 高强螺栓连接简化模拟方法
        3.2.1 三维实体模型
        3.2.2 粘接法
        3.2.3 梁单元及MPC法
        3.2.4 弹簧-阻尼法
        3.2.5 虚拟介质法
        3.2.6 模拟方法的比较与选取
    3.3 虚拟介质法的验证及预紧力影响初探
    3.4 本章小结
4 螺栓连接对水电站耦合结构振动特性影响分析
    4.1 螺栓松动对水电站耦合结构动力特性影响分析
        4.1.1 计算方案
        4.1.2 螺栓松动对下机架刚度影响
        4.1.3 螺栓松动对机墩刚度影响
        4.1.4 下机架—机墩连接结构自振特性分析
        4.1.5 机组动力荷载下耦联结构动力响应分析
        4.1.6 螺栓松动对下机架各支臂荷载分配影响
    4.2 螺栓预紧力对水电站耦合结构振动特性影响分析
        4.2.1 研究方案
        4.2.2 机墩单体结构自振特性分析
        4.2.3 耦联结构自振特性分析
        4.2.4 机组动力载荷作用下耦联结构动力响应分析
    4.3 本章小结
5 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
致谢

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本文编号：2845426