基于有限元模型的水电站拦污栅非线性流致振动分析方法与流程

本发明涉及水力发电检修领域，具体地指一种基于有限元模型的水电站拦污栅非线性流致振动分析方法。

背景技术：

1、为了保障水电站的安全运行，防止大型漂浮物对电站的引水管和水轮机等设备设施造成破坏，水电站的进水口一般都安装了拦污栅。由于大型拦污栅栅叶面积大、刚度小及进口水力环境复杂易诱发流激振动，拦污栅的栅条时常会因为结构共振引起疲劳断裂破坏。抽水蓄能电站的拦污栅水流作用条件更加复杂，需要承受双向水流作用，然而目前对大型拦污栅结构设计动力安全性方面，无统一的规则可循。

2、文献资料显示，国内外的水电站(尤其是抽水蓄能电站)出现了不少拦污栅栅条受水流脉动后疲劳破坏的案例。南京水科院的阎诗武统计了2000年以前德国、奥地利、比利时及美国共七座水电站的拦污栅栅条的损坏情况，部分案例在运行1至2年内就出现了栅条严重破坏，个别极端案例甚至是运行数小时后。学术文献表明国内位于黄河上游的积石峡水电站，以及位于汉江干流的王甫洲水电站也出现了类似的栅条振动疲劳破坏。

3、目前国内的相关拦污栅设计规范仅提供了矩形截面的单根栅条的结构自振频率及相关涡流脱落频率的计算方法，缺乏对其他类型构件在水中振动频率的计算方法，而且规范中的方法在某些情况下过于保守或不安全。

4、因此，有必要研究拦污栅局部和整体结构在复杂流场及边界条件作用下的非线性振动和疲劳失效的机理，据此改进拦污栅的结构设计或采取有效的现场减震措施，提升拦污栅结构安全稳定性、保障电站安全运行。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于有限元模型的水电站拦污栅非线性流致振动分析方法，可在传统拦污栅的设计方法的基础上，通过分析巨型水电站中大型拦污栅流固耦合和疲劳失效模式，找到大型拦污栅的结构薄弱部位，并进行相应的结构加强措施。

2、本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种基于有限元模型的水电站拦污栅非线性流致振动分析方法，它包括如下步骤：

3、1)根据大型拦污栅的结构设计，建立高保真全三维的有限元模型，通过优化方法找到能够表征高保真全三维有限元模型线性动力学响应以及非线性静力学响应的最优降阶有限元模型；

4、2)在前述降阶有限元模型的基础上，根据现场的流速测试数据和等效流固耦合方法计算结构的等效质量及等效阻尼；

5、3)根据现场制造和现场安装条件，确定非线性分析的边界条件；

6、4)结合以上步骤的结果对大型拦污栅进行非线性流致振动分析，找出拦污栅结构的薄弱位置，并在设计阶段或使用阶段进行相应的设计改进和现场加固。

7、优选地，步骤1)具体为：根据水电站大型拦污栅的结构设计，通过优化方法找到能够表征其高保真全三维有限元模型线性动力学响应(自振模态及频率)以及非线性静力学响应(推覆分析)的基于梁单元、杆单元以及附加质量单元的最优降阶有限元模型。

8、优选地，步骤1)中的优化方法包括以下步骤：

9、1.1)对初始和每一个优化中的临时结构设计方案采用高保真三维模型和降阶有限元模型分别进行模态分析，获得前六阶模态分析结果(振型和频率)；

10、1.2)对比通过两种模型获得的模态分析结果：如果在振型不一致或者每阶频率相差超过5％，则在调整截面形状或尺寸参数后重复步骤1.1)；如果前六阶振型一致且各阶频率相差不超过5％，则进入下一步骤1.3)；

11、1.3)采用高保真三维模型和降阶有限元模型分别进行非线性推覆分析，获得拦污栅在固定推覆位移下的支反力；

12、1.4)对比通过两种模型获得的支反力结果，如果两个结果相差超过5％，则调整截面尺寸参数，然后重复步骤1.1)-步骤1.3)；否则就认为当前的降阶有限元模型为最优模型，可以用于拦污栅的非线性流致振动分析。

13、优选地，所述步骤2)根据现场的流速测试数据和等效流固耦合方法计算结构的等效质量及等效阻尼过程如下：

14、2.1)等效流固耦合的单自由度运动方程中：ms、cs和ks是其结构部分的质量，阻尼和刚度；mf和cf分别为非定常流动引起的附加质量和附加阻尼；(ms+mf)和(cs+cf)分别定义为结构在流体中振动的等效质量和等效阻尼系数；和u分别为单自由度振动的加速度，速度和位移；ff(t)是作用在系统上的流体激励；

15、2.2)单自由度运动方程中附加质量mf＝cmρπr2,其中cm，ρ和r分别为等效质量系数，流体密度和截面特征半径；等效附加质量系数cm计算方法：cm＝cmscmf，其中cms和cmf分别为与结构截面形状和流体特性(粘性，可压缩性)相关的等效质量系数；其中cms定义为cms＝cms0cmsb，其中cms0是结构在无限域流体中所受惯性力相关的等效质量系数，而cmsb是由于狭窄空间的阻塞效应造成的相应的等效质量修正系数；

16、对于圆柱体，cms0＝1.0；对于平板，当平板在振动方向上的的板厚与特征直径(横截面另一方向的板宽)之比在0到10以内时，cms0＝1.0～2.23；

17、等效质量系数cmsb是由于阻塞效应造成的相应的修正系数，可以用公式1和2计算，其中r是截面的特征半径，g是构件和周围结构的间隙；

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20、与流体粘度和可压缩性有关的等效质量系数cmf，可以用公式3计算得到，其中rf是结构体周围流体区域的特征半径，red＝ωa2/v是运动雷诺数，其中ω和υ分别为振动角速度和运动粘度；

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22、2.3)等效阻尼系数cf计算：当涉及到自激振动时应评估附加阻尼力，与拦污栅加载条件相关的流体阻尼机制有两种：一是静止流体中的结构振动所受到的阻尼效应；二是在横向流动的流体中的结构振动所受到的阻尼效应，据此可以将附加阻尼系数分解为两种机制对应的等效阻尼系数分量之和，cf＝cfs+cfc；

23、等效阻尼系数cfs可以通过公式4获得，其中cd是阻力系数，d是构件截面的特征直径，u0是构件振动幅值，ω为振动角速度；

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25、等效阻尼系数cfc可以由公式5获得，其中u为远场流速；

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27、优选地，步骤3)中，根据现场拦污栅制造和安装的条件，确定拦污栅非线性流致振动分析的边界条件，具体过程如下：

28、3.1)明确拦污栅底部和混凝土基座的接触关系，通过计算拦污栅底部和混凝土基座的摩擦力，明确拦污栅在流致振动分析中的约束条件，包括固支，铰支，摩擦接触；

29、3.2)明确设计中拦污栅和混凝土门槽的间隙尺寸，将此信息作为拦污栅流致振动分析的间隙参数。

30、优选地，所述步骤4)具体为：结合步骤一、步骤二及步骤三中的最优降阶有限元模型、等效流固耦合方法(等效质量和等效阻尼计算结果)及非线性边界条件(底部约束和接触间隙)对大型拦污栅进行非线性流致振动分析，找到其薄弱位置(高应力区域)进行结构加强或现场加固。

31、本发明的有益效果：

32、1.本发明在传统拦污栅的设计方法的基础上，通过分析巨型水电站中大型拦污栅流固耦合和疲劳失效模式，找到大型拦污栅的结构薄弱部位，并进行相应的结构加强措施。

33、2.本发明中的降阶有限元模型可以代替传统的高保真全三维模型，在保证精度的基础上大幅提升计算效率，将计算机用时降低到原来的10％左右。

34、3.本发明中所提出的基于降阶有限元模型的水电站大型拦污栅非线性流致振动分析方法可以准确预测大型多节拦污栅结构的薄弱部位，弥补规范(例如水利水电工程钢闸门设计规范(sl 74-2019)中传统设计方法只注重单根栅条而忽略拦污栅整体振动规律的不足。