基于ABAQUS某框架结构动力性能研究

林显超 洪大智 崔彦亭 邓爱祥

摘要：汽轮发电机组基础动力性能好坏直接影响发电机组能否正常运行，本文采用ABAQUS有限元分析软件采用模态叠加法和直接积分法对框架结构进行详细的动力性能分析，对比两种计算方法的计算结果，验证框架基础按照多自由度模型分析的合理性，同时表明模态叠加法计算结果偏于保守，与直接积分法相比最大振动位移相差11.9%，工程设计时应采用直接积分法对模态叠加法的结果进行校核，并按照振幅法和共振法两种标准对框架结构动力性能进行评价，以保证结果的准确性，从而为框架结构设计、复核提供了一定的指导。

关键词：ABAQUS;动力分析;模态叠加法;直接积分法

中图分类号：TU311.3

1引言

世界能源日渐匮乏，能源系统仍以化石能源为主，火力发电的能量利用效率较高，是化学能重要的转换媒介，为保证能源的有效供应，必须保证汽轮发电机组的正常高效率运行。随着人们对能源的需求逐渐增加，汽轮发电机组装机容量也越来越大，振动是汽轮发电机组在运行过程当中难以避免的问题，实际运行过程中由于安装、运行、维护等方面的问题可能使汽轮发电机组整体或局部振动幅度过大，严重影响机组正常运行。基础作为汽轮发电机组的支撑结构，其良好的动力性能就显得十分重要。

共振法和振幅法是评价结构动力特性的基本方法，共振法是通过控制结构自振频率远离机组的扰动频率，避免基础发生共振，振幅法是通过控制基础振动位移、速度在一定限值，避免基础振动幅度过大。我国现行《动力机器基础设计规范》[1]通过振动幅度对基础的动力特性进行控制，规范的评价指标带有一定局限性，目前大多数学者多采用振幅法和共振法相结合的方法进行基础动力性能分析，高等利[2]通过STA-AD计算软件并采用振幅法和共振法综合评价框架基础的动力性能。基础动力性能的研究方法主要有模型实验和数值模拟计算方法，魏志鹏[3]通过对1：10缩尺模型的动力性能以及拟静力实验分析，得出框架结构动力响应及延性满足实际工程需要。宛森、赵春晓[4]通过ANSYS对某汽轮发电机组框架基础进行数值模拟，并研究了底板、设备刚度、扰力作用点等对有限元分析的影响。与模型实验相比有限元计算方法容易实施、成本较低，虽然计算结果没有模型实验准确，但在一定程度上能反映基础的动力性能，近年来越来越到的用于结构动力学分析。

动力学最常用的分析方法有模态叠加法和直接积分法，模态法是对动力学方程在模态坐标系下进行解耦，得到基于模态坐标的单自由度运动方程，然后对多个自由度进行求解，计算成本不高但精度较低，直接积分法直接对动力学方程进行积分，耗时多但计算精度高，国内学者多采用模态叠加法对汽轮发电机组基础的动力性能进行分析。王雷[5]通过Matlab计算软件，采用振型叠加法对框架结构的安全性进行评价。综上所述本文通过ABAQUS有限元分析软件采用模态叠加法以及直接积分法对某框架基础进行动力学性能分析，按照共振法和振幅法两项评价指标对基础进行安全评估，为框架基础动力分析提供一定的指导和帮助。

2 基础结构模型及参数设置

2.1 基础尺寸

本文研究的汽轮发电机组框架结构基础有限元模型如图一所示，框架基础共有三层，总高18.2m，跨度为43.25m，第一层高10.1m，第二层高4.9m，第三层高3.2m，一层柱子尺寸分别为3.3×3.4、2.6×3.4、2.1×2.25、2.6×2.25（m），剪力墙底部柱子尺寸為2.6×3（m），剪力墙两柱间开口尺寸为2.6×7.5（m），三层主梁尺寸为3.4×3.2、2.48×2.595（m）。二层平台汽轮机下平台尺寸为14.74×13.5×1.25（m），发电机下为空心平台。该框架结构混凝土强度等级为C30，钢筋保护层厚度为50mm，基础配筋由一级和二级钢筋组成。

2.2模型参数

框架基础密度为2500kg/m3，弹性模量为30000MPa，泊松比为0.2，由于底板对框架基础结构动力分析影响较小，本次模拟不考虑底板作用，约束基础地面三个方向自由度。结构按照三维实体模型建模，基础共128514个单元，单元类型为C3D8R，八节点三维缩减积分单元，如图二所示。线性减缩积分的存在来自其本身的所谓沙漏数值问题过于柔软，以单个减缩单元为例模拟受纯弯曲载荷的情况如图三所示：

2.3 荷载加载方式和计算参数

框架基础顶部设备采用集中质量点进行添加，根据《动力机器基础设计规范》，工作转速为3000（r/min）的动力机器基础扰力点按照竖向、横向0.2倍转子重量、纵向0.1倍转子重量进行加载，扰力点加载值如表一所示，加载按照正弦函数形式，竖向和共设置八个、个扰力点，具体设置方式图四所示，模态叠加法模态阻尼为0.0625，直接积分法结构阻尼为0.0625。

3 动力分析

3.1模态分析

根据《动力机器基础设计规范》，对于工作转速为3000r/min基础，需提取0～70HZ模态振型，基础的自振频率和振型如表二及图五所示

前四阶振型图如下：

由表二可知，基础自振频率在10～20HZ最为密集，且自振频率在机组工作频率50HZ附近分布较为密集，采用自振法无法避开机组工作转速，由图五可知基础前四阶振型以基础整体平动、柱子局部扭动、整体扭动为主。

3.2基于模态叠加法的频率响应分析

各扰力点X（纵向）、Y（竖向）、Z（横向）三个方向振动最大位移如下表三所示

根据模态叠加法计算的结果可知，扰力点最大振动位移出现在7号扰力点Y向，数值为3.67μm，根据规范要求，一般情况下，只需要计算扰力作用点竖向振动线位移，7号扰力点竖向振动位移未超过规范中要求的20μm限值，满足规范要求。

3.3基于直接积分法的频率响应分析

根据直接积分法计算的结果可知，扰力点最大振动位移出现在7号扰力点Z向，数值为4.36μm，根据规范要求，一般情况下，只需要计算扰力作用点竖向振动线位移，最大竖向振动位移出现在7号扰力点，数值为4.12μm，未超过规范中要求的20μm限值，满足规范要求。

3.4 动力分析结论

通过采用模态叠加法和直接积分法对框架结构扰力点进行频率响应分析，扰力点振动幅度满足动力机器基础设计规范要求。模态叠加法和直接积分法计算的结果均表明框架结构7号扰力点竖向振动幅度最大。

4结论

本文通过ABAQUS有限元软件对某框架结构分别采用模态叠加法以及直接积分法进行动力性能分析，得出如下结论。

（1）进行结构动力学分析时，应采用共振法和振幅法两种评价方法对基础动力性能进行评价，当结构无法避开机组工作转速，共振法失效。

（2）直接积分法相比模态叠加法振动响应计算值偏大，特别是Z向振动响应，两种计算方法的Y向振动位移峰值相比直接积分法小11.9%，直接积分法计算结果更能满足设计要求。

（3）当无实测资料时，应采用多种方法进行动力分析以验证有限元结果的正确性。

参考文献

[1]GB 50040-1996， 动力机器基础设计规范[S].

[2]高等利.汽轮发电机组框架式基础计算分析[J].山西建筑，2019，45（11）：85-87.

[3]魏志鹏. 660MW火力发电机支撑结构动力及抗震性能研究[D].河北建筑工程学院，2020.

[4]苑森，赵春晓.汽轮发电机基础数值模拟的探讨[J].武汉大学学报（工学版），2018，51（S1）：186-191.

[5]王雷，李洋，康灵果.某汽轮发电机组框架式基础动力特性研究[J].工程建设与设计，2008（04）：42-46.

作者简介：林显超（1989-），男，内蒙古赤峰，高级工程师，本科，汽轮机设备管理。