基于PD-STFA的水轮机顶盖联接螺栓疲劳寿命计算方法研究
发布时间：2021-01-16 17:01
水轮机顶盖联接螺栓在运行过程中长期承受交变荷载,由此导致的疲劳损伤造成了多次重大事故,因而有必要对其疲劳寿命计算方法进行深入研究,以提高顶盖联接螺栓疲劳寿命计算的准确性。针对以上问题,提出了一种基于功率密度与短时傅里叶分析（PD-STFA）相结合的水轮机顶盖联接螺栓疲劳寿命计算方法,重点研究加载频率和变幅荷载的耦合作用对顶盖联接螺栓疲劳寿命影响。首先采用有限元法计算出联接螺栓的危险截面位置和应力;其次采用基于应变的中空压力传感器测得螺栓头部接触面平均应力,并根据广义胡克定律将实测得到的螺栓头部接触面平均应力转换为危险截面的受力;最后基于线性损伤累积理论,采用基于PD-STFA方法与传统雨流计数法分别计算顶盖联接螺栓疲劳寿命。计算结果表明,基于PD-STFA方法计算顶盖联接螺栓疲劳寿命为1.966×105h,传统雨流计数法为4.113×105h。根据对电站用户调研,基于PD-STFA方法计算结果更接近螺栓实际工作寿命30 a左右,能够更准确地预测水轮机顶盖联接螺栓的疲劳寿命,为水轮机安全稳定运行提供理论保障。
【文章来源】：机械强度. 2020,42(06)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
有限元模型
为了更好地捕捉水轮机顶盖联接螺栓应力分布，对顶盖与座环接触面和连接螺栓网格均进行了局部加密，数值计算采用四面体非结构网格，其最终的网格单元总数约为130万个，网格单元节点数约为430万个。与此同时，在数值计算过程中曾将节点数量增加至2倍左右，计算结果偏差在1.5%以内，满足有限元计算网格无关性要求，其网格划分情况如图2所示。在进行计算载荷设置时，将水轮机顶盖与座环间的接触设置为摩擦接触，水轮机顶盖螺栓与螺母间的接触为绑定接触，水轮机顶盖螺栓与座环螺纹孔间的接触为绑定接触，其装配体受到的荷载示意如图3所示。
考虑到水轮机顶盖、座环可能受到的最大荷载，根据电站典型工况下的水力-机械过渡过程计算结果，选取蜗壳最大内水压力对应的工况作为水轮机顶盖及水轮机顶盖与座环联接螺栓的计算工况。因此，图3所示的各载荷:导叶和套筒重量G0为33.54 k N，顶盖与座环组合体自重G1为324.58 k N，水轮机导轴承重量G2为42.48 k N，导水机构控制环、连杆转臂重量之和G4=81.21 k N，紧急停机而产生的水压力P2=3.63MPa、紧急停机时顶盖上放入真空压力q=0.1 MPa，导叶浮力F浮=1.21 k N，顶盖与座环连接螺栓F预紧力=1 234.70 k N。1.2 计算结果及分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]水轮机顶盖部分螺栓断裂后剩余螺栓的强度分析[J]. 葛新峰,徐旭,沈明辉,檀林杰,钱巨林,张昌振. 排灌机械工程学报. 2019(07)
[2]某型机载模块的随机振动疲劳分析[J]. 关迪,范学领,肖滨,刘杰. 机械强度. 2019(01)
[3]Q690D高强钢螺栓连接疲劳性能试验研究[J]. 郭宏超,万金怀,刘云贺,王德法,李炎隆. 土木工程学报. 2018(10)
[4]基于短时傅里叶变换和卷积神经网络的轴承故障诊断方法[J]. 李恒,张氢,秦仙蓉,孙远韬. 振动与冲击. 2018(19)
[5]合金钢室、高温高周疲劳性能的研究[J]. 高倩倩,胡本润,陈勃,赵延广,郭翔. 热加工工艺. 2017(14)
[6]大型水轮机不稳定流体与结构耦合特性研究Ⅱ:结构动应力与疲劳可靠性分析[J]. 王福军,赵薇,杨敏,高江永. 水利学报. 2012(01)
[7]基于应力概率密度和功率谱密度法的随机声疲劳寿命预估方法研究[J]. 沙云东,郭小鹏,张军. 振动与冲击. 2010(01)
[8]随机波浪力谱及结构件裂纹扩展研究[J]. 张卫国,田洪,宓为建,刘园,董良才. 中国工程机械学报. 2009(01)
硕士论文
[1]随机振动荷载下结构的疲劳寿命研究[D]. 叶菲.天津大学 2017
本文编号：2981192
【文章来源】：机械强度. 2020,42(06)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
有限元模型
为了更好地捕捉水轮机顶盖联接螺栓应力分布，对顶盖与座环接触面和连接螺栓网格均进行了局部加密，数值计算采用四面体非结构网格，其最终的网格单元总数约为130万个，网格单元节点数约为430万个。与此同时，在数值计算过程中曾将节点数量增加至2倍左右，计算结果偏差在1.5%以内，满足有限元计算网格无关性要求，其网格划分情况如图2所示。在进行计算载荷设置时，将水轮机顶盖与座环间的接触设置为摩擦接触，水轮机顶盖螺栓与螺母间的接触为绑定接触，水轮机顶盖螺栓与座环螺纹孔间的接触为绑定接触，其装配体受到的荷载示意如图3所示。
考虑到水轮机顶盖、座环可能受到的最大荷载，根据电站典型工况下的水力-机械过渡过程计算结果，选取蜗壳最大内水压力对应的工况作为水轮机顶盖及水轮机顶盖与座环联接螺栓的计算工况。因此，图3所示的各载荷:导叶和套筒重量G0为33.54 k N，顶盖与座环组合体自重G1为324.58 k N，水轮机导轴承重量G2为42.48 k N，导水机构控制环、连杆转臂重量之和G4=81.21 k N，紧急停机而产生的水压力P2=3.63MPa、紧急停机时顶盖上放入真空压力q=0.1 MPa，导叶浮力F浮=1.21 k N，顶盖与座环连接螺栓F预紧力=1 234.70 k N。1.2 计算结果及分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]水轮机顶盖部分螺栓断裂后剩余螺栓的强度分析[J]. 葛新峰,徐旭,沈明辉,檀林杰,钱巨林,张昌振. 排灌机械工程学报. 2019(07)
[2]某型机载模块的随机振动疲劳分析[J]. 关迪,范学领,肖滨,刘杰. 机械强度. 2019(01)
[3]Q690D高强钢螺栓连接疲劳性能试验研究[J]. 郭宏超,万金怀,刘云贺,王德法,李炎隆. 土木工程学报. 2018(10)
[4]基于短时傅里叶变换和卷积神经网络的轴承故障诊断方法[J]. 李恒,张氢,秦仙蓉,孙远韬. 振动与冲击. 2018(19)
[5]合金钢室、高温高周疲劳性能的研究[J]. 高倩倩,胡本润,陈勃,赵延广,郭翔. 热加工工艺. 2017(14)
[6]大型水轮机不稳定流体与结构耦合特性研究Ⅱ:结构动应力与疲劳可靠性分析[J]. 王福军,赵薇,杨敏,高江永. 水利学报. 2012(01)
[7]基于应力概率密度和功率谱密度法的随机声疲劳寿命预估方法研究[J]. 沙云东,郭小鹏,张军. 振动与冲击. 2010(01)
[8]随机波浪力谱及结构件裂纹扩展研究[J]. 张卫国,田洪,宓为建,刘园,董良才. 中国工程机械学报. 2009(01)
硕士论文
[1]随机振动荷载下结构的疲劳寿命研究[D]. 叶菲.天津大学 2017
本文编号：2981192
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/shuiwenshuili/2981192.html
