一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法，其中，所述方法的步驟為：步驟一：根據(jù)圖紙尺寸要求，得到線棒軸線的二維模型；步驟二：使用圓錐包絡(luò)方法建立線棒軸線的三維幾何模型；步驟三：根據(jù)線棒中每種材料位置和各層結(jié)構(gòu)幾何形狀將截面分割成許多小的矩形，使截面方向?qū)χ校徊襟E四：在空間三維曲線上的每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處生成方向正確的截面后，依次連接相鄰截面上對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)并生成六面體單元，形成完整的線棒三維有限元模型。通過(guò)本發(fā)明提出基于有限元軟件和圓錐包絡(luò)算法的線棒三維有限元建模方法，省略三維實(shí)體建模，簡(jiǎn)化分析步驟；提供一種高效、精確的大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的三維有限元建模方法。
【專利說(shuō)明】一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種建模方法的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]汽輪發(fā)電機(jī)在現(xiàn)代電力能源供應(yīng)中占有重要的角色，隨著汽輪發(fā)電機(jī)向著大容量、大功率方向發(fā)展，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很大的電流和磁場(chǎng)，機(jī)組在電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下會(huì)使定子端部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生松動(dòng)，振動(dòng)加劇等問(wèn)題。為此必須對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)，電磁等振動(dòng)分析，提出預(yù)防和解決發(fā)電機(jī)端部振動(dòng)問(wèn)題的方法。在有限元分析中，首先應(yīng)該得到分析對(duì)象的模型。對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)而言，其定子端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是定子線棒繞組，具有籃式結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，且其中線棒是三維空間曲線結(jié)構(gòu)，并由多種材料、多層結(jié)構(gòu)組合而成，給分析建模帶來(lái)了很大的困難。
[0003]目前線棒的建模主要是基于三維軟件來(lái)完成，建模方法有投影法和參數(shù)化法。投影法是先作出纏繞錐面的一條空間曲線，再將其投影到平行于錐底的平面上并截取想要的曲線段，最后將截取的曲線反向投影到錐面上得到所求空間漸開(kāi)線，此方法的操作步驟復(fù)雜，修改費(fèi)時(shí)費(fèi)力；參數(shù)化方法是將線棒曲線分成起始、終止過(guò)渡圓弧段和中間漸開(kāi)線段，并將每一段用參數(shù)化的方程來(lái)描述，然后逐段生成線棒曲線，最后由截面沿著曲線拉伸成三維模型。此方法的變量參數(shù)較多，容易混淆，同時(shí)線棒截面不能考慮多種材料和結(jié)構(gòu)，只能建立單一的截面，與實(shí)際線棒結(jié)構(gòu)不相符。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提出一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法，以解決上述分析建模困難，修改費(fèi)時(shí)費(fèi)力，建立模型時(shí)容易混淆，與實(shí)際線棒結(jié)構(gòu)不相符的問(wèn)題。·
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法，其中，所述方法的步驟為:
[0007]步驟一:根據(jù)圖紙尺寸要求，建立圓錐曲線平面展開(kāi)圖，得到基本參數(shù):基圓半徑Ra，起始圓弧的起點(diǎn)半徑Ra，起始和終止圓弧半徑r2，漸開(kāi)線起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圓心角Φ，展開(kāi)線的跨角Y ;同時(shí)將平面展開(kāi)曲線離散成一系列點(diǎn)并保存它們的坐標(biāo)，然后在有限元軟件ANSYS中生成相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)；然后通過(guò)樣條曲線命令連接以上關(guān)鍵點(diǎn)，建立線棒軸線的圓錐漸開(kāi)線、過(guò)度圓弧和端部直線段，得到線棒軸線的二維模型；
[0008]步驟二:將步驟一中得到的線棒軸線的二維模型中每個(gè)離散的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)參數(shù)化APDL語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為三維關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，并存儲(chǔ)為文本文件，然后利用有限元軟件ANSYS讀取文本文件并生成相應(yīng)的三維關(guān)鍵點(diǎn)，最后用樣條曲線命令連接所有的三維關(guān)鍵點(diǎn)，使用圓錐包絡(luò)方法建立線棒軸線的三維幾何模型；[0009]步驟三:根據(jù)線棒中每種材料位置和各層結(jié)構(gòu)幾何形狀將截面分割成許多小的矩形，每個(gè)矩形代表一種材料和一類結(jié)構(gòu)，將這些矩形的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)并存儲(chǔ)，然后以數(shù)組的形式輸入到ANSYS中，生成一層節(jié)點(diǎn)群，然后順序連接相鄰節(jié)點(diǎn)形成六面體單元，計(jì)算線棒三維曲線上每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處的切線斜率；然后在有限元軟件ANSYS中建立局部坐標(biāo)系，局部坐標(biāo)系的X軸與切線重合，y軸垂直于切線并指向圓錐中心線，然后在此局部坐標(biāo)系下通過(guò)讀入截面分割矩形節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)生成截面，使截面方向?qū)χ校?br> [0010]步驟四:在空間三維曲線上的每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處生成方向正確的截面后，依次連接相鄰截面上對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)并生成六面體單元,形成完整的線棒三維有限元模型。
[0011]上述一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法，其中，根據(jù)線棒軸線的二維模型，利用二維曲線與圓錐三維曲線的幾何關(guān)系，求得線棒軸線的三維模型，所述線棒軸線的三維模型的精度依賴于所述線棒軸線的二維模型的準(zhǔn)確程度；所述線棒截面形狀及方向的對(duì)中設(shè)置能保證線棒具有正確的截面屬性和方向。
[0012]上述一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法，其中，通過(guò)將所述線棒截面離散成節(jié)點(diǎn)，并連接相鄰截面節(jié)點(diǎn)生成單元，最后建立線棒軸線三維有限元模型，并且線棒的網(wǎng)格全部為六面體，可直接用于有限元分析計(jì)算。
[0013]本發(fā)明由于采用了上述技術(shù)，產(chǎn)生的積極效果是:
[0014]通過(guò)本發(fā)明提出基于有限元軟件和圓錐包絡(luò)算法的線棒三維有限元建模方法，線棒參數(shù)修改方便且直接建立考慮截面屬性的有限元模型，省略三維實(shí)體建模，簡(jiǎn)化分析步驟；提供一種高效、精確的大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的三維有限元建模方法；使有限元分析人員可以快速且精確的建立定子線棒的有限元分析模型，并能夠方便快捷的修改模型參數(shù)后自動(dòng)生成新的有限元模型，提高了建模效率，降低了建模工作量；還能夠很好的考慮線棒內(nèi)部的分層結(jié)構(gòu)和各層材料的不同，使后面的有限元分析結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確；不用依賴于三維建模軟件的建模功能，省去了模型導(dǎo)入的過(guò)程，使得模型失真的問(wèn)題不復(fù)存在；線棒模型的精確程度完全依賴于軸線二維模型的精度；可以自由控制模型中節(jié)點(diǎn)的位置，使后面分析中邊界條件的加載更加方便。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0016]圖1為本發(fā)明一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法的步驟流程示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法中線棒軸線平面展開(kāi)的示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法中線棒軸線的三維空間曲線示意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法中線棒截面對(duì)中的示意圖；
[0020]圖5為本發(fā)明一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法中線棒軸線離散點(diǎn)的示意圖；[0021]圖6為本發(fā)明一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法中線棒軸線二維模型的示意圖；
[0022]圖7為本發(fā)明一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法中線棒軸線空間三維模型的示意圖；
[0023]圖8為本發(fā)明一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法中線棒截面的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0024]圖9為本發(fā)明一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法中線棒三維有限元模型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖10為本發(fā)明一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法中線棒整體有限元模型的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不作為本發(fā)明的限定。
[0027]實(shí)施例:
[0028]請(qǐng)參見(jiàn)圖1-10所示，一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法，其特征在于，所述方法的步驟為:
[0029]步驟一:根據(jù)圖紙尺寸要求，建立圓錐曲線平面展開(kāi)圖，得到基本參數(shù):基圓半徑Ra，起始圓弧的起點(diǎn)半徑Ra，起始和終止圓弧半徑A、r2，漸開(kāi)線起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圓心角Φ，展開(kāi)線的跨角Y ;同時(shí)將平面展開(kāi)曲線離散成一系列點(diǎn)并保存它們的坐標(biāo)(如圖5所示)，然后在有限元軟件ANSYS中生成相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)；然后通過(guò)樣條曲線命令連接以上關(guān)鍵點(diǎn)，建立線棒軸線的圓錐漸開(kāi)線、過(guò)度圓弧和端部直線段，得到線棒軸線的二維模型(如圖6所示)；
[0030]根據(jù)圖紙尺寸，單根線棒的平面展開(kāi)圖(如圖2)所示，AB為展開(kāi)曲線起始直線段，BC為起始過(guò)渡圓弧，CD為展開(kāi)漸開(kāi)線段，DE為終止過(guò)渡圓弧，EF為終止直線段。其中基圓半徑Ra，起始圓弧的起點(diǎn)半徑Ra，起始和終止圓弧半徑I^r2，漸開(kāi)線起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圓心角Φ，展開(kāi)線的跨角Y ；
[0031]步驟二:將步驟一中得到的所述線棒軸線的二維模型中每個(gè)離散的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)參數(shù)化APDL語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為三維關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo),并存儲(chǔ)為文本文件，然后利用有限元軟件ANSYS讀取文本文件并生成相應(yīng)的三維關(guān)鍵點(diǎn)，最后用樣條曲線命令連接所有的三維關(guān)鍵點(diǎn)，使用圓錐包絡(luò)方法建立線棒軸線的三維幾何模型(如圖7所示)；
[0032]如圖3所示為包絡(luò)到圓錐上的空間曲線，α為線棒空間曲線在圓錐上的跨角，β為圓錐角，其中二維曲線和三維曲線對(duì)應(yīng)的幾何關(guān)系有:
[0033]Siil(O) = I
[0034]線棒空間曲線上任意點(diǎn)P (X，y, z)與平面曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)Q (x, y)坐標(biāo)關(guān)系為:[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法，其特征在于，所述方法的步驟為: 步驟一:根據(jù)圖紙尺寸要求，建立圓錐曲線平面展開(kāi)圖，得到基本參數(shù):基圓半徑Ra，起始圓弧的起點(diǎn)半徑Ra，起始和終止圓弧半徑:tv r2,漸開(kāi)線起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圓心角Φ,展開(kāi)線的跨角Y ;同時(shí)將平面展開(kāi)曲線離散成一系列點(diǎn)并保存它們的坐標(biāo)，然后在有限元軟件ANSYS中生成相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)；然后通過(guò)樣條曲線命令連接以上關(guān)鍵點(diǎn)，建立線棒軸線的圓錐漸開(kāi)線、過(guò)度圓弧和端部直線段，得到線棒軸線的二維模型； 步驟二:將步驟一中得到的所述線棒軸線的二維模型中每個(gè)離散的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)參數(shù)化APDL語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為三維關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，并存儲(chǔ)為文本文件，然后利用有限元軟件ANSYS讀取文本文件并生成相應(yīng)的三維關(guān)鍵點(diǎn)，最后用樣條曲線命令連接所有的三維關(guān)鍵點(diǎn)，使用圓錐包絡(luò)方法建立線棒軸線的三維幾何模型； 步驟三:根據(jù)線棒中每種材料位置和各層結(jié)構(gòu)幾何形狀將截面分割成許多小的矩形，每個(gè)矩形代表一種材料和一類結(jié)構(gòu)，將這些矩形的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)并存儲(chǔ)，然后以數(shù)組的形式輸入到有限元軟件ANSYS中，生成一層節(jié)點(diǎn)群，然后順序連接相鄰節(jié)點(diǎn)形成六面體單元，計(jì)算線棒三維曲線上每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處的切線斜率；然后在有限元軟件ANSYS中建立局部坐標(biāo)系，局部坐標(biāo)系的X軸與切線重合，y軸垂直于切線并指向圓錐中心線，然后在此局部坐標(biāo)系下通過(guò)讀入截面分割矩形節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)生成截面，使截面方向?qū)χ校? 步驟四:在空間三維曲線上的每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處生成方向正確的截面后，依次連接相鄰截面上對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)并生成六面體單元,形成完整的線棒三維有限元模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法，其特征在于，根據(jù)線棒軸線的二維模型，利用二維曲線與圓錐三維曲線的幾何關(guān)系，求得線棒軸線的三維模型，所述線棒軸線的三維模型的精度依賴于所述線棒軸線的二維模型的準(zhǔn)確程度；所述線棒截面形狀及方向的對(duì)中設(shè)置能保證線棒具有正確的截面屬性和方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒的有限元精確建模方法，其特征在于，通過(guò)將所述線棒截面離散成節(jié)點(diǎn)，并連接相鄰截面節(jié)點(diǎn)生成單元，最后建立線棒軸線三維有限元模型，并且線棒的網(wǎng)格全部為六面體，可直接用于有限元分析計(jì)算。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103577654SQ201310594861
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】張青雷, 郭井寬, 陳吉, 杜躍斐, 趙清, 龍亞文, 桂士弘 申請(qǐng)人:上海電氣集團(tuán)股份有限公司