蘇豪開題報告

1、畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告題目：大型旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子支架的有限元分析及計算 課 題 類 別： 設(shè)計 論文學(xué) 生 姓 名： 蘇豪學(xué) 號： 201279250105班 級： 機電1201班專業(yè)（全稱）： 機械制造及其自動化指 導(dǎo) 教 師： 何建軍 2016 年 3 月一、本課題設(shè)計（研究）的目的： 現(xiàn)代社會，人類的生產(chǎn)勞動離不開各種各樣的旋轉(zhuǎn)電機，這些旋轉(zhuǎn)電機，更是應(yīng)用到各行各業(yè)的各個領(lǐng)域。工業(yè)生產(chǎn)部門與建筑業(yè)、交通運輸、醫(yī)療辦公設(shè)備與家用電器、航空航天國防以及其他領(lǐng)域都有涉及。轉(zhuǎn)子支架作為連接轉(zhuǎn)軸和磁軛成一體的中間部件，該結(jié)構(gòu)的作用1，一方面是為了固定鐵心與轉(zhuǎn)軸，達到增加轉(zhuǎn)子強度的目的；另一方面在機組

2、的運行中，還能夠起到傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。由此可見，對于大型旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)動部分而言，支架的重要性不言而喻。一直以來，在轉(zhuǎn)子支架的應(yīng)力特性分析問題上，人們做了大量的研究。 以支架的承載方面為例，由文獻可知，發(fā)電機在運行中支架的受力情況非常復(fù)雜，除靜載荷和動載荷的作用以外，重力與離心力載荷的影響也不容忽視若支架的強度不足，則在各種載荷的綜合作用下，勢必會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受 力不均、變形量過大、甚至產(chǎn)生裂紋等問題2。轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理與機組的安全運行及維護和產(chǎn)品的造價有很大的關(guān)系。ANSYS是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元工程分析軟件。ANSYS 軟件含有多種分析能力，包括簡單線性靜態(tài)分析和復(fù)雜非線性動態(tài)分析?？捎?/p>

3、來求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答。它包含了預(yù)處理、解題程序以及后處理和優(yōu)化等模塊，將有限元分析、計算機圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具。本課題其目的就是通過分析軟件ANSYS對轉(zhuǎn)子支架進行有限元的靜力分析，改善轉(zhuǎn)子支架。（注：大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架為例。） 二、設(shè)計（研究）現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（文獻綜述）： 1、設(shè)計（研究）現(xiàn)狀隨著有限元技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，其在現(xiàn)代設(shè)計中的應(yīng)用領(lǐng)域也愈加廣泛。在現(xiàn)代設(shè)計中，已廣泛采用有限元技術(shù)對結(jié)構(gòu)進行剛強度分析。對大型發(fā)電機行業(yè)亦是如此，目前采用有限元計算方法可以對其進行流場、結(jié)構(gòu)等進行有限元分析計算，其應(yīng)用主要涉及以

4、下四方面的內(nèi)容：（1) 針對發(fā)電機重要受力部件的有限元計算。針對大型發(fā)電機的各種受力部件的有限元計算主要目的：是為了分析不同工況下轉(zhuǎn)子、負荷機架、定子機座的剛、強度性能問題和對固有頻率的計算，以保證大型發(fā)電機組的穩(wěn)定安全運行。它不僅是適用于前期投標結(jié)構(gòu)設(shè)計，還適用于為機組正式設(shè)計提供重要的指導(dǎo)，并可依據(jù)計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化10。還能對已安裝但是有問題的電站進行分析，并可根據(jù)相關(guān)的計算報告來進行下一步的處理。（2) 磁場分析現(xiàn)在磁場分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各大專院校及各大發(fā)電機機制造廠的研發(fā)工作。磁場分析中考慮的物理量是磁力、磁力矩、磁通量密度、磁場密度、阻抗、渦流、電感、能耗和磁通泄漏等。目前有

5、限元分析可進行交變磁場分析、靜磁場分析、瞬態(tài)磁場分析、電場分析、高頻磁場分析，在電磁計算中可準確模擬出各種磁場。（3) 熱力學(xué)分析通風(fēng)冷卻系統(tǒng)對于大型發(fā)電機組很重要，它相當于整個機組的“肺”。通風(fēng)冷卻用以帶走定、轉(zhuǎn)子損耗所帶來的熱量，由風(fēng)機迫使冷風(fēng)循環(huán)，通過發(fā)電機內(nèi)部的風(fēng)道帶走熱量，并由空氣冷卻器冷卻后，經(jīng)風(fēng)機再次循環(huán)。但是由于結(jié)構(gòu)限制，機艙內(nèi)部空間狹小，如燈泡式慣流機組定、轉(zhuǎn)子之間的間隙大多做5mm 上下，故為了提高冷卻效率、降低風(fēng)阻，需要對通風(fēng)冷卻（過程或環(huán)節(jié)）進行嚴格的熱力學(xué)計算。通過數(shù)值分析并形成報告，可對整個的冷卻循環(huán)系統(tǒng)進行考核，是目前各大主機廠的通行手段。如果沒有進行評估出現(xiàn)失誤

6、，那么在投產(chǎn)后通風(fēng)有問題，將很難解決。（4）流體分析流體分析主要運用在流體的流態(tài)、流量、流動及熱交換，可提供強大的流體動力學(xué)分析，并可在流體約束質(zhì)量的響應(yīng)基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)動力學(xué)中采用耦合單元進行分析。2、發(fā)展趨勢（文獻綜述）國內(nèi)外的研究大型旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子支架其進行有限元分析時，一般比較其在額定工況及飛逸工況（發(fā)電機組在運行時,如果由于某種原因突然甩負荷,而此時剛好調(diào)速器系統(tǒng)失靈,導(dǎo)水機構(gòu)事故關(guān)閉裝置也發(fā)生故障,不能關(guān)閉導(dǎo)葉,這時機組的轉(zhuǎn)速成將急驟上升,直到與隨轉(zhuǎn)速上升而增加的損失相平衡為止）下的各部件應(yīng)力與變形。國外。2008年，俄國人R·施特克爾等發(fā)明了一種轉(zhuǎn)子支架用于用于連接電機的多

7、件式轉(zhuǎn)子支架的部件3.20009年，西門子公司發(fā)明了一種轉(zhuǎn)子，具有繞組支架，其被抗扭地布設(shè)于轉(zhuǎn)子軸上,因而能在相對于轉(zhuǎn)子軸線而言的中間部段,包圍轉(zhuǎn)子軸，對轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)強度有了顯著提升4。國內(nèi)。2009年中國人民解放軍軍事交通學(xué)院的張學(xué)玲、唐毅等對發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)進行了有限元的優(yōu)化設(shè)計。通過對結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析及動態(tài)分析，比較了原轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)與提出的另外三種修改轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)（修改方案1：加大筋板厚度；修改方案2：在1的基礎(chǔ)上，兩邊加上環(huán)板；修改方案3：改變結(jié)構(gòu)形狀，增加平行于端面的筋板）。由分析得，在額定工況（旋轉(zhuǎn)頻率為93.75/60=1.56Hz）與飛逸工況（旋轉(zhuǎn)頻313/60=5.2Hz）下，

8、修改方案1對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形無改善，原因是筋板加厚其質(zhì)量也增加，轉(zhuǎn)動時離心力也增加。修改方案2在飛逸工況下對結(jié)構(gòu)靜剛度有一定改善，但正常額定工況下改善不明顯，甚至變形有所增加。修改方案3無論最大應(yīng)力還是變形都有大幅減小，說明增加平行于端面的筋板結(jié)構(gòu)最好5。2010年哈爾濱大學(xué)的龐立軍對水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架熱打鍵過盈量的確定進行了研究。其選取整個有限元模型的1/8進行分析，轉(zhuǎn)子支架采用shell單元，磁軛磁極采用solid單元,支架立筋采用beam單元,在轉(zhuǎn)子支架與磁軛之間采用gap間隙單元連接, gap單元的過盈量為磁軛熱打鍵緊量D=0.36mm。采用couple對偶約束來滿足剖分邊界的周期對

9、稱條件,在輪轂內(nèi)緣處約束相應(yīng)節(jié)點的自由度。應(yīng)用該模型獲得了滿意的結(jié)果，表明應(yīng)用有限元法與經(jīng)典計算方法相結(jié)合來計算水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架及轉(zhuǎn)子裝配的計算方法是可行的6。2011年，天津大學(xué)的張磊等對鑫隴電站燈泡式發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子支架運用有限元理論進行了分析研究。得出如下結(jié)論：(1) 把有限元技術(shù)運用于水輪發(fā)電機產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)件的力學(xué)計算，把傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式計算轉(zhuǎn)換為更加直觀、更加接近實際工況的有限元分析方法，不僅提高了計算效率，更使得產(chǎn)品的修改更加方便。通過分析，三種轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)在飛逸工況下的應(yīng)力和變形都明顯高于其它工況，因此飛逸工況是檢驗產(chǎn)品性能參數(shù)的重要工況之一，其性能參數(shù)決定了機組在失控情況下是否會

10、產(chǎn)生破壞以及破壞程度。故其主要的性能比較體現(xiàn)在飛逸工況下。 (2) 通過分析，腹板式轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)簡單，但只適合運用于小型機組；斜筋式新型轉(zhuǎn)子支架，額定運行工況良好，但高速運轉(zhuǎn)時變形較大，需要對其結(jié)構(gòu)進行改進7。2012年，東芝水電設(shè)備有限公司的黃道錦等對燈泡貫流式機組轉(zhuǎn)子支架進行了疲勞分析，對轉(zhuǎn)子支架的使用壽命進行了評估。2012年齊齊哈爾二機床廠的崔東英針對傳統(tǒng)的采用一個特征一個草圖的建模方式，提出了轉(zhuǎn)子支架的參數(shù)化建模，避免了在不同工作平面建立草圖尺寸沒有關(guān)聯(lián)的情況，同時使得計算機計算過程簡單，設(shè)計理念簡潔。該方法對與建立轉(zhuǎn)子支架的三維模型有很大的簡化。另外，楊德馬對水輪發(fā)電機斜支臂轉(zhuǎn)子支

11、架結(jié)構(gòu)進行了研究，通過ANSYS軟件對其求解，得出轉(zhuǎn)子支架斜度為27.5°時轉(zhuǎn)子支架最大等效應(yīng)力最低8。廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院的溫杰明，陳家權(quán)等對水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架有限元分析及應(yīng)力試驗得出結(jié)論( 1) 發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架原型的輻板最大應(yīng)力較高, 受交變應(yīng)力再加上孔邊應(yīng)力集中、焊接區(qū)域的影響等, 此處工作應(yīng)力將會很大, 容易引起疲勞破壞, 說明原設(shè)計不足。( 2) 動應(yīng)力測試結(jié)果表明, 采用全橋應(yīng)變測量電路,能夠有效消除集流環(huán)接觸電阻對測試信號的影響。測點位置的應(yīng)力水平隨機組出力增加而提高, 在滿負荷出力狀態(tài)下, 測點的最大應(yīng)力幅值為 54.31MPa。測量數(shù)據(jù)將用于轉(zhuǎn)子的工作特性評估和輻

12、板的剩余疲勞壽命分析9。3、 設(shè)計（研究）的重點與難點，擬采用的途徑（研究手段）： 1、設(shè)計（研究）的重點與難點 （一）重點   （1） 了解支架的發(fā)展歷史及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，弄清楚幾種常見的支架結(jié)構(gòu)，并對其工作原理有較充分的認知。（2） 熟悉轉(zhuǎn)子支架的實際工作情況，并掌握其在停機工況、額定工況、飛逸工況下的受力情況。（3） 利用ANSYS軟件對支架進行靜力學(xué)分析，非別對比不同結(jié)構(gòu)的支架在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變情況，得出其最大應(yīng)力、應(yīng)變的值，并得出其所在位置。 （4） 對不同支架的分析結(jié)果進行對比，依據(jù)已知結(jié)論提出

13、支架的優(yōu)化設(shè)想方案。（二）難點 （1） 轉(zhuǎn)子支架數(shù)據(jù)搜集。轉(zhuǎn)子支架的研究雖然歷史也比較久了，但專門從事該方面的研究并不多，大部分都是在研究機組時簡略的研究下轉(zhuǎn)子支架，所以其數(shù)據(jù)大多都不齊全，導(dǎo)致對轉(zhuǎn)子支架的了解不夠充分，從而對其分析不夠貼合實際。（2） ANSYS軟件的使用。本課題選用ANSYS分析軟件對轉(zhuǎn)子支架進行分析，因而要能熟練操作ANSYS軟件。ANSYS軟件是一款比較經(jīng)典、優(yōu)秀的有限元分析軟件，但不易學(xué)會，且學(xué)習(xí)該軟件要對有限元理論知識有一定了解，因此，對于有限元基礎(chǔ)較薄弱的大學(xué)生來說，學(xué)好這門軟件有一定難度。 2、 采用的途徑（研究手段）（1）

14、0;充分利用學(xué)校圖書館、學(xué)校中英文科技期刊網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫、免費網(wǎng)絡(luò)資源等大量搜集有關(guān)結(jié)構(gòu)有限元分析和優(yōu)化設(shè)計的期刊文章、書籍等文獻資料，掌握結(jié)構(gòu)有限元分析和優(yōu)化設(shè)計的基本理論和方法。（2） 通過對大量簡單結(jié)構(gòu)進行有限元分析，逐步熟悉有限元分析的過程和掌握ANSYS軟件的基本操作。（3） 向畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師進行請教。指導(dǎo)老師是該方面的專家，對其學(xué)生所做設(shè)計有比較充分的了解，是一個很好的學(xué)習(xí)資源。4、 設(shè)計（研究）進度計劃：第1-3周 畢業(yè)實習(xí)第4-5周 完成外文翻譯，文獻綜述和開題報告第6-8周 討論設(shè)計實驗方案并完成精密測量實驗第9-11周 對實驗數(shù)據(jù)進行不確定度理論分析并談討

15、第12-14周 撰寫論文并打印第15-17周 完成相關(guān)圖紙，審閱、答辯五、參考文獻：1 沈煒良，陳瑋，邊立靜，等，發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架靜態(tài)強度及動態(tài)特征研究J，現(xiàn)代制造工程。2005.（12):54-562 何其東，轉(zhuǎn)子支架剛強度分析J ,機電信息，2013，（15）:149-150.3 龐立軍. 有限元法在水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架熱打鍵過盈量確定過程中的應(yīng)用.機械工程師,2010，1:150-040.4 黃道錦，汪小芳. 燈泡貫流式機組轉(zhuǎn)子支架疲勞分析研究. 2012,4:310-016.5  瓦西里耶夫B·H里紐切夫B·A費拉托夫H·A. 轉(zhuǎn)子支架可拆卸的水輪發(fā)電機 法國電力公司水力學(xué)實驗室資料 1980,5.6 Saeed Moaveni Finite Element Method Theory and Application with ANSYSJNew Jersey:Prentice-Hall Inc,1999.7 張磊 慣流水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析 2