水电站岸边式厂房动力分析数值模型设计方法技术

本发明专利技术公开了一种水电站岸边式厂房动力分析数值模型设计方法，属于水利水电领域，提供一种可实现水电站岸边式厂房模型设计的一致性和规范性，同时可缩短设计周期的水电站岸边式厂房动力分析数值模型设计方法，包括如下步骤，步骤一、构建水电站岸边式厂房的三维结构模型；步骤二、划分网格；步骤三、设定网格单元类型；步骤四、设定材料属性；步骤五、设定不同类型的网格单元之间的连接形式；步骤六、设定边界条件。本发明专利技术所述的设计方法，可广泛适用于各基于有限元动力分析的水电站岸边式厂房动力分析数值模型的设计中，并有利于统一该类模型的设计规范。

Numerical model design method for dynamic analysis of hydropower station shore type powerhouse

The invention discloses a shore type hydropower station plant dynamic numerical analysis model design method, which belongs to the field of water conservancy and Hydropower Engineering, provides a realization of shore stations powerhouse consistent and standard model design of hydropower, and can shorten the design cycle of the hydropower station powerhouse shore dynamic analysis numerical model design method, which comprises the following steps step one, the three-dimensional structure model and the construction of Hydropower Station Powerhouse shore; step two, step three, set grid; grid unit type; step four, setting material properties; step five, setting the connection form between different types of grid unit; step six, setting the boundary condition. The design method of the invention can be widely applied to the design of the dynamic analysis numerical model of the shore type powerhouse of the hydropower station based on the finite element dynamic analysis, and is beneficial to unify the design specifications of the model.

【技术实现步骤摘要】
水电站岸边式厂房动力分析数值模型设计方法
本专利技术涉及水利水电工程
，尤其涉及一种水电站岸边式厂房动力分析数值模型设计方法。
技术介绍
在我国西北、西南地区的山区河流纵坡大，适宜于开发水能资源；水力发电是目前世界上使用最广泛的一种清洁的可再生能源。为了高效利用水能资源，目前规划或在建的电站趋向于巨型化；水轮发电机组的单机容量越来越大，运行水头越来越高。水电站厂房是电站枢纽布置的核心区域，厂房结构既是水工建筑物和水轮发电机组机电设备的综合体，又是电站运行人员活动和生产输出电能的场所。而厂房结构的巨型化削弱了厂房结构的刚度，水轮机流道脉动压力的能量更加突出，如何保证巨型机组安全稳定运行是业界必须攻克的难题。厂房内部结构及其受力条件复杂，基于结构力学理论的简化方法在厂房内部部分结构的力学分析中已被证明是不准确的；而随着近年来有限元单元法在工程结构仿真领域的逐步推广，采用有限元单元法揭示水电站厂房整体结构的受力机理成为一种可行性非常强的技术手段。而在采用有限元进行水电站厂房的分析过程中，如何正确、规范的建立水电站厂房结构的动力分析数值模型成为了学术界关注的重点。近几年来，采用有限元计算分析方法进行水电站厂房整体结构动力分析计算已经被广泛使用，但是由于缺少相应的参考标准以及规范文件，而且由于水电站厂房动力分析数值模型(以下可简称为厂房数值模型或厂房模型等)的设计中往往包括基岩范围、不同结构部分的网格单元类型、不同网格单元类型之间的连接形式、网格尺寸、弹性模量以及阻尼比等众多参数，而对于这些参数的选取目前没有一个统一的参考标准，导致进行水电站厂房设计的单位在厂房动力分析数值模型的设计上均或多或少的加入了各自的设计理念与经验，因而出现不同的设计单位设计的水电站厂房模型各不相同的情况，进而导致各单位的计算结果存在较大的差异性，无法实现水电站厂房模型设计的规范和统一。另外，对于水电站厂房模型这类体积量较大的模型进行有限元动力学分析时，其计算量通常是非常庞大的，往往需要计算速度非常强大的计算机系统才能完成。因此，在保证计算结果准确性的情况下，如何建立合适的模型以减少计算工作量，提高计算效率，也是此类模型设计时需要重点考虑的因素。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：现有基于有限元动力分析而设计的水电站岸边式厂房动力分析数值模型，其设计方法没有统一参考设计方法和标准的问题，本专利技术以提供一种可实现水电站岸边式厂房动力分析数值模型设计的一致性和规范性，并在确保分析结果准确性的同时还可缩短设计周期的水电站岸边式厂房动力分析数值模型设计方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：水电站岸边式厂房动力分析数值模型设计方法，包括如下步骤，步骤一、构建水电站岸边式厂房的三维结构模型：根据实际项目工程中水电站岸边式厂房的设计结构或者实际结构，构建水电站岸边式厂房的三维结构模型；所述三维结构模型由厂房主体部分和基岩部分组成；所述厂房主体部分包括厂房上部排架和厂房下部机层；所述基岩部分的构建范围为：基岩部分的边界至厂房主体部分的外轮廓之间的距离不低于厂房主体部分的高度H的两倍；步骤二、划分网格：对上述步骤一中构建的三维结构模型进行网格划分，并且设置厂房主体部分的网格尺寸不大于基岩部分的网格尺寸；步骤三、设定网格单元类型：厂房主体部分中的横梁结构和立柱结构均采用梁单元，厂房主体部分中的楼板结构和风罩结构均采用板单元，厂房主体部分中的其余结构采用实体单元；基岩部分采用实体单元；步骤四、设定材料属性：为网格单元设定对应的材料属性；其中对于弹性模量的设定为：设置厂房主体部分的弹性模量的取值为厂房主体部分实际所用材料所对应的静弹性模量值，设置基岩部分的弹性模量的取值为基岩部分实际岩体所对应的静弹性模量值；对于阻尼比的设定为：设置厂房主体部分的阻尼比和基岩部分的阻尼比均为0.07；步骤五、设定不同类型的网格单元之间的连接形式：对不同类型的网格单元之间的连接形式采用节点自由度约束；步骤六、设定边界条件：对基岩部分上相应的边界施加固定约束。进一步的是：在所述厂房上部排架的上部设置有载荷施加点，并且在对应的载荷施加点处施加有该处实际承受载荷大小的模拟载荷F。进一步的是：基岩部分的构建范围为：基岩部分的边界至厂房主体部分的外轮廓之间的距离为厂房主体部分的高度H的两倍。本专利技术的有益效果是：本专利技术针对现有基于有限元动力分析的水电站岸边式厂房模型设计没有统一参考设计方法和标准的问题，给出了一种规范的水电站岸边式厂房动力分析数值模型设计方法，从根本上规范了水电站岸边式厂房动力分析数据模型设计的方法和标准。本设计方法明确了水电站岸边式厂房模型构建的组成部分、厂房主体的主要组成部分、厂房上部排架中相应结构的简化处理方式、弹性模量的取值、阻尼比的取值、不同类型的单元之间连接形式、基岩部分的范围及其边界条件的设定方式以及各部分的结构单位类型的选取等。因此，通过采用本专利技术所述的设计方法不仅保证了水电站岸边式厂房模型设计的一致性和规范性，而且还可确保仿真分析结果的统一性、有效性和准确性；并且通过采用本专利技术所述方法既可缩短厂房模型的设计周期，还可进一步缩短其仿真分析的计算量和分析所需时间。附图说明图1为本专利技术所述的水电站岸边式厂房动力分析数值模型设计方法中水电站岸边式厂房模型的示意图；图中标记为：厂房主体部分1、基岩部分2、厂房上部排架3、厂房下部机层4、横梁结构5、立柱结构6、楼板结构7、风罩结构8、载荷施加点9。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进一步说明。本专利技术所述的水电站岸边式厂房是水电站厂房设计形式中的一种常规厂房布置方式，其厂房主体部分1包括厂房上部排架3和厂房下部机层4两部分；其中厂房上部排架3通常为设置在厂房下部机层4上部并位于相对的两侧的由横梁结构5和立柱结构6所组成的排架结构；厂房上部排架3主要作用是用于支撑厂房屋架以及通过设置相应的吊车梁结构后用于支撑吊车。厂房下部机层4则通常包括多层的楼层结构，并且在多层楼层之间通过设置相应的横梁结构5和楼板结构7等用于分层；同时在整个厂房下部楼层4的中部位置设置有机组区域，主要用于安装蜗壳、水轮机组及发电机组等设备。另外，由于将厂房主体部分1整体设置在岸边，因此其受到水压的影响较小，因而本专利技术所述的设计方法中未考虑水载的影响，即在构建三维结构模型时省略了对水体部分的模型构建。理论上，水电站岸边式厂房的具体结构可能随着实际项目工程的不同而有所差异，因此本专利技术中在构建水电站岸边式厂房的三维结构模型时应当根据实际项目工程的设计结构或者实际结构进行构建，并且在构建三维结构模型时，应当至少包括厂房主体部分1和对应的基岩部分2。例如参照附图1中所示，其构建的三维结构模型中，包括有厂房主体部分1和相应的基岩部分2，并且其中的厂房主体部分1包括有厂房上部排架3和厂房下部机层4。另外，对于基岩部分2的选取范围，为了尽量降低在分析过程中基岩部分2的选取范围对厂房主体部分1的分析结果的影响，尤其当基岩范围选取较小时容易导致分析结果的不准确。本专利技术中对于基岩部分2的构建范围参照如下设置：基岩部分2的边界至厂房主体部分1的外轮廓之间的距离不低于厂房主体部分1的高度H的两倍。当然，理论上，基岩部分2的构建范围越大，其分析结本文档来自技高网...

【技术保护点】
水电站岸边式厂房动力分析数值模型设计方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、构建水电站岸边式厂房的三维结构模型：根据实际项目工程中水电站岸边式厂房的设计结构或者实际结构，构建水电站岸边式厂房的三维结构模型；所述三维结构模型由厂房主体部分(1)和基岩部分(2)组成；所述厂房主体部分(1)包括厂房上部排架(3)和厂房下部机层(4)；所述基岩部分(2)的构建范围为：基岩部分(2)的边界至厂房主体部分(1)的外轮廓之间的距离不低于厂房主体部分(1)的高度H的两倍；步骤二、划分网格：对上述步骤一中构建的三维结构模型进行网格划分，并且设置厂房主体部分(1)的网格尺寸不大于基岩部分(2)的网格尺寸；步骤三、设定网格单元类型：厂房主体部分(1)中的横梁结构(5)和立柱结构(6)均采用梁单元，厂房主体部分(1)中的楼板结构(7)和风罩结构(8)均采用板单元，厂房主体部分(1)中的其余结构采用实体单元；基岩部分(2)采用实体单元；步骤四、设定材料属性：为网格单元设定对应的材料属性；其中对于弹性模量的设定为：设置厂房主体部分(1)的弹性模量的取值为厂房主体部分(1)实际所用材料所对应的静弹性模量值，设置基岩部分(2)的弹性模量的取值为基岩部分(2)实际岩体所对应的静弹性模量值；对于阻尼比的设定为：设置厂房主体部分(1)的阻尼比和基岩部分(2)的阻尼比均为0.07；步骤五、设定不同类型的网格单元之间的连接形式：对不同类型的网格单元之间的连接形式采用节点自由度约束；步骤六、设定边界条件：对基岩部分(2)上相应的边界施加固定约束。...

【技术特征摘要】
1.水电站岸边式厂房动力分析数值模型设计方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、构建水电站岸边式厂房的三维结构模型：根据实际项目工程中水电站岸边式厂房的设计结构或者实际结构，构建水电站岸边式厂房的三维结构模型；所述三维结构模型由厂房主体部分(1)和基岩部分(2)组成；所述厂房主体部分(1)包括厂房上部排架(3)和厂房下部机层(4)；所述基岩部分(2)的构建范围为：基岩部分(2)的边界至厂房主体部分(1)的外轮廓之间的距离不低于厂房主体部分(1)的高度H的两倍；步骤二、划分网格：对上述步骤一中构建的三维结构模型进行网格划分，并且设置厂房主体部分(1)的网格尺寸不大于基岩部分(2)的网格尺寸；步骤三、设定网格单元类型：厂房主体部分(1)中的横梁结构(5)和立柱结构(6)均采用梁单元，厂房主体部分(1)中的楼板结构(7)和风罩结构(8)均采用板单元，厂房主体部分(1)中的其余结构采用实体单元；基岩部分(2)采用实体单元；步骤四、设定材料属性：为网格单元设定...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓文，张志军，马玉岩，肖平西，侯攀，吕文龙，卢薇，罗乾坤，
申请(专利权)人：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51