摘 要：本文对大型发电机定子吊装用横梁结构有限元展开分析，采用美国大型通用有限元分析软件-ANSY软件，校正大型发电机定子吊装用横梁结构设计方案的稳定性与可靠性，经过结构有限元分析，发现原横梁结构的设计方案存在许多不足之处，并对该结构进行修正，通过验证发现修正后结构能够适用于各种工况，且具有较高的安全性与稳定性。
关键词：大型发电机；定子吊装；横梁结构；有限元；工况分析；安全可靠
引言
电厂原横梁结构采用两个大型横梁，中间并用一个小横梁，减少起重机动作不协调造成的横梁组件内力，影响到定子吊装的安全性。大型发电机定子吊装采用的是两台起重机双小车，四个大钩下挂着自制的三根起吊横梁，其中大横梁9m，小横梁5m，通过大横梁600t吊钩转向与吊装吊钩，这一过程必须保障定子吊装的安全性与可靠性，因此横梁结构设计方案的安全性与可靠性检测非常重要。通过有限元分析利用数学近似法模拟真实物理系统载荷工况，利用有限未知量逼近无限未知量的真实系统，从而得到问题的近似解。由于大多数实际问题很难得到准确的解，因此利用高计算精准度的有限元分析，能够适应多种复杂形状，成为有效的工程分析手段。
1 吊装用横梁结构有限元分析
原横梁结构设计方案中，结构系统包括三根自制横梁，横梁通过双向活动球形支座相连接。利用大型有限元结构通用分析软件ANSYS建立静力学计算模型，采用国际单位制。研究对象主要为钢箱梁结构，是钢板通过焊接连接形成资自重较大的结构，钢板的厚度为50mm，鉴于这一点，建模过程中以块单元为主要分析单元，以SOLID45线性单元作为主要单元形式，利用COMBIN40单元模拟连接大小横梁的球形支座。焊接连接部位的结构跨度比较小，进行结构有限元单元的划分时，主要采用混合网格划分模式，通过映射、扫略的网格划分进行几何模型的单元划分，主要依据各个部位的特点，也可以采用自由划分形式，便于提高计算的精准度，并且减少大量的计算时间。根据钢结构设计规范，小横梁结构的承受载荷表示为：
该表达式中，K1表示动载系数，取值为1.1；K2表示不均匀系数，取值1.05；Q为460t；P1则为531.3×103kg。拉板直接承受了吊装定子与吊钩的荷载，进行有限元分析时，为了确保模拟拉板受力的准确性，可以在拉板的底部连接一块刚度较大的底板，均匀地将作用力传输到拉板。主要根据不同工况的特点将作用力加在底板上，在进行有限元分析的过程中，应当结合考虑结构的自重。
根据上述P1计算值，可以求得底板受力为：
1.1 不同工况结构有限元分析
本文主要假设两种工况，以提高实际吊装情况的模拟精度。第一种工况是荷载作用处于结构的中心部位，没有偏心，其大小为上文底板受力取值5.31×106N；第二种是考虑有可能存在受载偏心，并且考虑最不利的偏心位置有可能在拉板内角边，荷载值不变。
主要对不同工况下的结构整体强度进行有限元分析，结构单元节点的应力范围主要在底板处超出材料的许用应力，对结构的影响比较小。结构的最不利截面满足强度与刚度的要求，同时具有较好的稳定性。但是结构在球形支座部位产生了比较大的位移变形。通过计算，横梁结构在第二种假设工况下，在球形支座部位的最大位移达到了8.5cm，因此可以看出在第二种假设工况下，在有可能偏心载荷作用下，横梁结构在球形支座部位的位移现象最明显，也就是说在该工况下，利用该设计方案进行定子吊装存在比较大的安全隐患，稳定性与可靠性受到严重影响，必须对该球形支座进行改进与修正。
1.2 设计方案的修正
主要依据为国家标准《球形支座技术条件》中的规定，原结构设计方案中的双向活动球形支座模型在实际的工况作用下存在较大的安全隐患，可万向转动，内部是球饺，故可万向转动，支座转动一般为（0.02～0.05）rad。为了提高定子吊装的安全性与稳定性，在国家标准规定的基础上，将结构双向活动球形支座修改为结构固定球形支座，架设矩形固定底座，控制直径为754mm。
1.3 固定球形支座有限元分析
对原有活动球形支座的结构方案修正后，必须再次模拟验证修改后方案的安全性与稳定性，确保在实际工况中排除不利因素。将最不利的荷载直接加载于修正后的固定球形支座上，并利用软件进行有限元计算分析，获得应力结果。为了确保模拟的实际性与准确性，将固定球形支座的荷载分解到横纵两个方向上，总荷载量为2.75×106N。通过有限元分析发现，固定球形支座的最大应力值达到了3.19×108N/m2，该取值是在假设球形支座地面安全固定的情况下获得的，实际的结构中还应当考虑到底面存在的微小移动，获得的相应数值结果也应当偏小。同时，通过上述模型计算发现该结果超过了材料的设计许用应力2.65×108N/m2，然而该数值小于材料的屈服应力值，也即是小于3.45×108N/m2，所以能够保证固定球形支座在最不利的载荷作用下仍旧保持良好的安全性与稳定性。因此，通过模拟分析验证，说明修正后的结构方案具有可行性，能够适用于实际的工况，并保证了球形支座结构的安全与稳定。
1.4 修正后不同工况有限元分析
接下来对修正后的球形支座在不同工况下的有限元进行分析，获得修正后结构在实际吊装中的有限元结构，与原结构进行分析比较得出结果。大横梁结构应力与竖向位移极值（最大正应力/N·m-2修正前8.8×107修正后8.9×107剪应力/N·m-2修正前 6.0×107修正后6.1×107竖向位移/mm修正前4.7修正后4.8结构设计修正前后不同工况下有限元分析结构比较，通过固定球形支座的结构修正，结构系统横梁连接方式发生了改变，原有结构的活动球形支座容易发生较大位移的现象得到了妥善的解决，提高了结构系统整体的稳定性。通过修正，吊装系统能够适应各种工况下的荷载特点，并且对于最不利的截面强度同样能够满足工作要求。
2 结论
对大型发电机定子吊装用的横梁结构进行有限元分析具有重要意义，能够在不改变定子吊装系统安全性的情况下，合理分析有限元特征，来发现吊装结构设计方案在不同工况下作业可能存在的不足，并根据这种不足情况来修正与优化原结构系统，设计更科学合理的结构方案。通过本次有限元的分析与修正，能够为大型结构吊装系统的设计与优化提供参考依据，具有较高的应用价值与经济价值。通过对修正方案与原方案的有限元对比，能够为实际不同工况下的吊装提供良好的理论依据。对于有限元分析的优缺点，经过软件模拟应用后发现该方法能够用有限的、相互关联的单元模拟无限的复杂体，无论多么复杂的几何体都能用相应的单元简化，从而建模分析计算出结果。使复杂的、感觉无处下手的工程问题简单化，这是最大的优点。当然，该方法也有一定的缺点，比如精确度浮动性比较大，基于建模的水平和边界条件、载荷工况的模拟真实性与实际工况的相符度可能比较有限。
