基于ANSYS的圆筒阀刚强度及屈曲分析与研究

    1 前言
    圆筒阀位于水轮机固定导叶和活动导叶之间，可沿水轮机轴线方向上下移动。对于无法布置传统进水阀的大型调峰调频或多泥沙的水电站，采用圆筒阀结构可以在停机过程中有效地保护导水机构和减少电站的漏水损失。目前我国已有大潮山、漫湾、小湾、光照等水电站采用了圆筒阀结构。性能和作用优越的圆筒阀，在水电站设计选型中有着广阔的发展前景。由于圆筒阀设置在顶盖与座环上环形成的空腔内，工作时又要上下移动，所以保证圆筒阀的刚强度和稳定性成为设计过程中的一个突出问题。
    本文以某电站圆筒阀作为算例，首先进行了筒阀刚强度计算分析，其次从对边界条件选取、单元选择、载荷施加方法等方面着手，提出了筒阀屈曲分析的有限元法和解析计算方法。
    2 基本计算参数
    筒阀中心半径：Rm=2575mm
    筒阀壁厚：δe=100mm
    筒阀高度：L=1310mm
    筒阀外径：D0=5250mm
    最大静水头压力：P1=0.726MPa
    升压水头压力：P2=0.978MPa
    筒阀推拉杆个数：6个
    3 有限元法
    3.1 圆筒阀刚强度分析
    进行圆筒阀刚强度分析，考核应力值大小并找出局部最大应力出现位置。
    利用圆筒阀的对称性，切取包含一个推拉杆在内的2π/Z（Z为推拉杆个数）的扇形区域作为计算模型。本次分析采用大型结构分析软件ANSYS软件完成，全部采用每个节点具有三个自由度的8节点六面体单元，即SOLID185单元，筒阀的应力计算模型及网格剖分如图1所示。

图1 筒阀应力计算模型及网格划分图

    边界条件：为保证位移协调一致，在切开断面处采用周期对称边界条件，同时在推拉杆的上端活塞处，约束下端面相应节点的三个自由度。当圆筒阀全关闭时，承受0.726MPa的最大静水压力，当筒阀动水关闭时，承受0.978MPa外压力。
    计算工况：我们主要考虑两种工况，即最大静水头工况和升压水头工况。
    表1给出了两种工况下的分析计算结果。图2为升压水头工况下筒阀整体的应力分布，图3为升压水头工况下筒阀整体的变形分布。

表1 两种工况下筒阀计算结果

图2 升压水头工况下筒阀整体的应力分布

图3 升压水头工况下筒阀整体的变形分布

    从计算结果可看出，两种工况下筒阀最大局部应力分别为27.86MPa和20.68MPa，均出现在推拉杆与阀体接触面上。
    3.2 圆筒阀屈曲分析
    屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲结构发生屈曲响应时的模态形状的技术。圆柱形薄壳在均匀外压作用下，壁内应力变为压应力，则当外压达到临界值时，薄壳的圆形平衡就变为不稳定，会突然变成长圆形。由屈曲导致结构的不稳定，对于结构的设计来说是致命的，因为通常在结构强度还远没达到极限时就发生了屈曲。所以对圆筒阀进行屈曲分析是非常必要的。
    屈曲问题的有限元分析方法大致有两类：一类是通过特征值分析计算屈曲载荷，根据是否考虑非线性因素对屈曲载荷的影响。这类方法又细分为线性屈曲和非线性屈曲分析。另一类是利用结合Newton-Raphson迭代的弧长法来追踪确定加载方向，追踪失稳路径的增量非线性分析方法能有效的分析非线性屈曲和失稳问题。本文只针对第一种方法中的线性屈曲分析进行讨论，这种方法通过提取使线性系统刚度矩阵奇异的特征值来获得结构的临界失稳载荷及失稳模态。
    进行筒阀的屈曲分析计算时，取整个阀体作为计算模型。对单元和边界条件的选取分别有如下几种方案。
    单元选取：
    （1）分析时采用每个节点具有三个自由度的8节点六面体单元，即SOLID185单元。
    （2）采用每个节点具有三个自由度的20节点六面体单元，即SOLID186单元。
    通过多个算例对比分析得知，采用不同的单元类型，其计算结果也不相同，而且单元长度的大小对计算结果有一定的影响。一般情况下，单元网格剖分的越小，其计算结果越接近于GBl50）1998的结果，所以建议采用SOLID186单元。图4为有限元分析模型。

图4 筒阀屈曲分析计算模型

    边界条件选取方法：
    （1）在接力器活塞杆处约束轴向位移，并约束阀体中心半径处0°，90°，180°，270°四个节点的切向位移。
    （2）在圆筒阀的底部，约束中心半径处0°，90°，180°，270°位置节点的切向位移和轴向位移。
    （3）在圆筒的外侧施加1MPa（一个单位载荷）的压力，不用施加实际载荷。因为由屈曲分析计算出的特征值，表示屈曲载荷系数。所以，若施加的是单位载荷，则该特征值就表示实际的屈曲载荷。
    经过比较分析，建议今后对圆筒阀进行屈曲分析时采用第二种边界条件约束方法，并按方法（3）施加载荷。
    通过有限元屈曲分析可知，圆筒阀屈曲载荷为3.495MPa，而实际圆筒阀承受的最大外压为0.978MPa，临界压力安全系数为3.57。因此，该圆筒阀在外压力作用下，不会发生失稳情况，图5为筒阀的有限元屈曲分析结果。

图5 筒阀的屈曲分析结果

    4 解析法计算圆筒阀平均应力、变形及许用外压
    周向平均应力：

    
    径向变形：

    
    许用外压：

    
    式中系数B值根据GB150——1998中的图6-2、6-4中查取。
    采用解析法计算得到的是阀体的平均应力，其应力及变形水平与有限单元法计算结果接近。
    5 结语
    （1）通过对某电站圆筒阀刚强度分析，发现筒阀最大应力位置通常出现在推拉杆与阀体接触面上。
    （2）边界条件选取、单元选择、载荷施加方法等对屈曲分析结果是有影响的。建议在今后进行筒阀屈曲分析时，参照本文提出的方法进行计算。
    （3）从有限元和解析计算结果可以看出本文提出的计算方法真实可靠，从而为今后对圆筒阀进行刚强度和屈曲分析提供了强有力的技术支持。