一种核能发电机测振支架结构设计方法与流程

本发明涉及发电机振动分析，尤其涉及一种核能发电机测振支架结构设计方法。

背景技术：

1、在核能发电机测振支架结构应力最小化设计时，需要对汽轮发电机组的振动进行在线监测，汽轮发电机组的在线振动监测系统在机组稳定运行过程的测量数据的真实性，对机组和运行人员至关重要，直接决定了在线振动监测结果的可靠性。机组设备出现振动信号故障时，首先要甄别振动值是否是设备真实振动，才能对信号进行分析和处理。例如，某核电站半速机机型长期以来存在发电机振动随电网波动问题，且所测量振动值偏大，究其根本原因，是其发电机振动传感器固定支架的固有频率和电网频率100hz在频域上接近所致。行业内主要通过降低支架固有频率和增加支架频率两种方式来削弱信号干扰，前者通过设置配重块，降低支架固有频率，以避开电磁干扰共振，但后续测试数据显示该区间仍可能被电网扰动所激起，故降低固有频率的方式难以有效消除信号干扰；后者一方面可以避开100hz以下电网扰动频率区，以期彻底消除共振因素，另一方面，即使100hz以上仍然存在电网扰动频率，刚度提升和适当增加阻尼将有效降低共振振幅，改善响应程度。由于传感器支架结构特殊，其刚度较低，固有频率相对较低，频率调高难度较大；鉴于电网扰动时发电机振动常短时超限值，严重影响机组状态监控，且存在普遍性。因此，需要对支架结构进行拓扑优化，提升频率以得到高频率模态。

2、由于核能发电机测振支架具有大量的结构设计参数，不同的结构设计参数对应的影响效应值差异显著，且受限于安装条件，有关结构设计参数调整空间有限。目前，针对核能发电机测振支架结构的应力最小化设计均局限于传统实验设计方法，导致支架性能提升不足，影响设计支架的实际效果。而核能发电机测振支架的应力仿真过程较为耗时，若直接采用进化算法进行优化设计，将显著增大仿真评估成本，导致无法在可接受的设计周期内获得满意的核能发电机测振支架结构。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述不足，提供一种可提升支架性能和设计效率、降低设计成本的核能发电机测振支架结构设计方法。

2、一种核能发电机测振支架结构设计方法，包括以下步骤：

3、s1、对发电机测振支架进行参数化建模和仿真模拟构建，获得模型；

4、s2、选取发电机测振支架的设计参数并确定优化目标；

5、s3、根据所述设计参数的取值范围确定优化设计空间，并在所述优化设计空间内计算各所述设计参数对所述优化目标的影响，进行一次拓扑优化，选出优选设计参数；

6、s4、将所述优选设计参数代入所述模型反推，以进行二次拓扑优化；

7、s5、将二次拓扑优化结果代入所述模型进行模拟仿真验证。

8、在其中一个实施例中，步骤s1中，所述对发电机测振支架进行参数化建模和仿真模拟构建，获得模型包括：

9、s11、以发电机测振支架的结构尺寸安装图纸建立三维模型；

10、s12、根据所述三维模型构建有限元分析模型。

11、在其中一个实施例中，所述发电机测振支架包括支架本体、设置在所述支架本体上的固定螺栓、设置在所述支架本体与外部发电机之间的树脂垫片；步骤s12中，所述根据所述三维模型构建有限元分析模型包括：

12、s121、将所述三维模型对应的发电机测振支架结构经有限元软件处理，得到有限元分析模型；

13、s122、在所述有限元分析模型中，将所述固定螺栓与所述支架本体的连接部位以及所述树脂垫片与外部发电机和所述支架本体的连接部位设置为粗糙摩擦接触；

14、s123、对所述固定螺栓施加预紧力；

15、s124、在所述支架本体上分别选取质量点以等效模拟轴振传感器和瓦振传感器安装位置，并在所述质量点处分别加载质量。

16、在其中一个实施例中，在对所述有限元分析模型设置摩擦类型、增加预紧力及加载质量之后，在选取所述设计参数之前，还包括：

17、对所述有限元分析模型进行初始自振频率分析；

18、按照预设步长迭代所述初始自振频率分析下的发电机测振支架参数，并在每次迭代后进行自振频率分析；

19、在所述自振频率分析结果满足预设条件时，输出初始优化后的发电机测振支架参数。

20、在其中一个实施例中，根据所述发电机测振支架的边界和空间限制条件，将所述发电机测振支架划分为设计区域和非设计区域，所述非设计区域包括所述支架本体安装固定位置的螺栓连接区域，所述设计区域为所述支架本体上除安装连接点之外的区域；

21、所述按照预设步长迭代所述初始自振频率分析下的发电机测振支架参数是在所述设计区域范围内进行的。

22、在其中一个实施例中，步骤s2中，所述选取发电机测振支架的设计参数并确定优化目标包括：

23、s21、根据所述初始优化后的发电机测振支架参数调整所述有限元分析模型；

24、s22、以所述发电机测振支架的套筒内外径、支架板厚度、支架板宽度以及增加肋条数量作为所述设计参数；

25、s23、以所述发电机测振支架的固有频率最大化作为所述优化目标。

26、在其中一个实施例中，步骤s3中，所述根据所述设计参数的取值范围确定优化设计空间，并在所述优化设计空间内计算各所述设计参数对所述优化目标的影响，选出优选设计参数包括：

27、s31、采用变密度法进行一次拓扑优化，计算各所述设计参数对应固有频率影响的灵敏度效应值，筛选出高灵敏度效应值对应的设计参数作为优选设计参数。

28、在其中一个实施例中，在采用变密度法进行一次拓扑优化时，在所述取值范围内，将各所述设计参数按照预设步长迭代代入所述有限元分析模型，并分别进行自振频率分析，所述自振频率分析输出的自振频率与所述灵敏度效应值相关。

29、在其中一个实施例中，步骤s4中，所述将所述优选设计参数代入所述模型反推，以进行二次拓扑优化包括：

30、s41、将所述优选设计参数作为所述有限元分析模型的输入条件，优化设置最大迭代次数和容差精度；

31、s42、在所述设计区域内，以频率最大化为优化目标，选出频率最大时对应的参数作为最佳参数。

32、在其中一个实施例中，步骤s5中，所述将二次拓扑优化结果代入所述模型进行模拟仿真验证包括：

33、将所述最佳参数对应的发电机测振支架数据代入所述有限元分析模型进行模拟仿真验证，若仿真结果满足预期目标，则输出结构最优的发电机测振支架结构参数。

34、实施本发明的核能发电机测振支架结构设计方法，通过参数化建模和仿真模拟构建，计算优化设计空间内设计参数对优化目标的影响，进行一次拓扑优化，来选出优选设计参数，并进而二次优化和仿真验证，使得优化参数的可靠性提高，提升了发电机测振支架性能和实际效果；采用结构拓扑优化的方案替代应力仿真和进化算法，提升了设计效率，并降低了设计成本，为分析测振支架本身的模态分析结果对发电机振动监测影响奠定了基础，对于发电机安全性评估和机组保护控制都有着重要意义，为支架提升模态和轻量化设计的方案提供了借鉴，该方法结果明确，具有较高可靠性和准确性。