应变简化轻松预测

作者:Nathan Marks美国弗里德里市康明斯电力系统公司(Cummins Power Systems)应用技术部高级机械工程师

康明斯致力于向全球市场供应发电机组,以满足用户对备用安装以及远程安装的可靠电力的需求。随着时间的推移,大型发电设备的振动会逐渐弱化其支撑结构,这通常可通过疲劳分析进行表征。然而,单纯的金属框架应变使得分析模型并不足以准确预测疲劳程度,难点在于如何与试验实现良好关联。通过集成True-Load应变关联模型与ANSYS Mechanical整体结构分析功能,康明斯电力系统公司团队终于解决数十年未能完成的发电机组耐用性建模这一难题,从而加速了仿真工作流程。

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skid assembly

Cummins genset

康明斯测试设施中的天然气发电机组。燃气燃油引擎、交流发电机、冷却系统和控制系统均安装在金属支撑框架(也可是底座)顶端。

 

它的使用寿命还有多久?在需要进行维修或更换之前,有关产品的有效使用寿命问题几乎与每一种工具、组件或系统都息息相关。不过,当设备是为医院、水处理中心、数据中心或者军工单位的大型连续或备用电源提供离网电力时,相关组织机构必须保证负责供电的发电机组的耐用性。

在电网供电不足的情况下,电力需求所需的发电机组规模非常庞大,这通常意味着需将它们安装到独立的机房。对机组进行维修时,拆除机房可能需要承担高昂费用。可将发电机组的组件安装到金属框架的底座上,这些组件包括发动机、曲轴、发电机、风机和散热器等。发动机振动产生的荷载会导致框架结构和连接焊缝发生疲劳,而底座的失效模式就成为我们首先需要关注的问题。对于康明斯电力系统公司的工程师而言,他们需要依据发电机组实际工况,不断提高预测底座疲劳寿命的准确性。

非传统方法

genset geometry
ANSYS Mechanical中的完整发电机组几何结构,红色部分为带底座组件
skid mesh
消除其它发电机组结构后的底座网格
skid geometry
Geometry of the genset skid
 

以前,康明斯团队采用了如下流程:先创建相关结构的分析模态模型,然后根据工况使用加速计进行实验调查。工程师再使用上述测量数据确定各个模态的整体模态比例因子。分别研究各个模态,对ANSYS Mechanical的结果按比例因子进行缩放,进而对应力与应变预测进行复核。但采用这种方法无法研究整体模态响应。

之前,团队将太多时间和精力用在了并不存在的问题上,后来发现了他们实际上需要一种更好的流程。由于疲劳预测是对数形式,一旦应变历史记录中的误差达到15~20%,就会导致寿命模型高达200%的误差。因此,需利用行业标准疲劳分析工具将所有模态的完整参与都考虑进去,这一点非常重要。不过,建立关联性更好的应变史也同样重要。康明斯需要了解应变仪在底座的安装位置,在正确的位置才能采集到关联疲劳分析模型所需的正确测试数据。通过将Wolf Star Technologies公司的True-Load软件包添加到基于 ANSYS SpaceClaim Direct Modeler与ANSYS Mechanical的仿真工作流程中,工程师能大幅提升底座耐用性建模的速度和精度。

为了删除不影响结构仿真的小型间隙与小型面,该团队在导入底座CAD几何结构的初始阶段添加了SpaceClaim技术的特征清除功能。这样就可降低整体网格的复杂度。发电机组装配体模型相关的网格包括约400万个单元。采用最新版ANSYS Mechanical中的模型装配体功能,团队能以之前创建单个模型工作流程三倍的速度创建网格。与以往模型系列相比,此模型的保真度要高得多,这主要归功于SpaceClaim和ANSYS Mechanical的强大功能。

Mechanical的结构仿真主要侧重于模态分析,也就是说,可根据由发动机振动生成的力函数,确定构成结构特征的模态频率与形状。团队亟需同时了解用于决定整体动态响应的模态总数和主模态。正是这些模态激励导致底座应力与应变的产生,而这对下游的疲劳分析至关重要。采用Mechanical基于16核台式工作站的并行计算功能,根据分析设置和网格复杂度的不同,可将求解速度提升3到10倍。为了提升模型求解效率,我们通过以某种方式创建绑定接触定义实现了计算加速。模态分析的结果共包括24种模态,团队能将其作为单位荷载与True-Load结合使用。

应变史关联

康明斯团队可从Mechanical解决方案将模态分析结果文件导入到True-Load。工程师通过采用True-Load/Pre-Test技术,获得相关的实验测试指导信息,帮助他们确定物理应变仪在底座结构上的最佳放置位置。团队发现,True-Load/Pre-Test的一项主要优势是可以帮他们避免将应变仪放置到错误位置以及获得不可靠的数据。

通常情况下,有关实验测试的指导信息是“每个单位荷载或模态大概需要1.5到2个仪表”。True-Load可使用Mechanical模型的偏转形状,而静态荷载或本征模态会导致这些变形。整体而言,True-Load允许约束模态(单位位移)、附着模态(单位力)和本征模态(柔性模态)的混合工况。

vertical bending simulation
ANSYS Mechanical结果显示了底座振动频率模态分析的第一阶和第二阶模态,即代表垂直弯曲。
twisting simulation
ANSYS Mechanical结果显示了底座振动频率模态分析的第一阶和第二阶模态,即代表扭曲模态形状。

测试团队对这24种模态很感兴趣,因此他们在底座上使用了大约40到50个仪表。根据所提供的单位荷载确定用于结构的主荷载路径,True-Load为团队提供了应变仪位置。如果采用传统方法,团队可能会根据经验将仪表放置到热点位置,如:焊缝、销钉或凹槽。而采用这种新方案,True-Load指导他们将仪表布置到更适合后续应变关联的正确位置。

在掌握了仪表的位置之后,康明斯实验人员以一分钟为间隔(包括启动和停止),采集运行转速介于1,350至1,650rmp的发电机组发动机的数据。团队以极高的采样率收集了大量数据。由于True-Load不限制数据集的规模,同时康明斯也拥有能执行相关分析的充足硬件容量,因而高采样率不会带来任何问题。通过结合使用试验数据与Mechanical解决方案提供的单位荷载,True-Load/Post-Test计算了模态参与函数。上述过程产生了关联仿真结果与测量应变数据的正确模态组合,其平均误差约为6%(归一化均方根)。由此,工程师结合了Mechanical提供的应变预测与True-Load荷载比例因子,并将其导入至疲劳分析工具,生成底座的使用寿命曲线。

test data

左:采用True-Load模态参与函数(蓝色)将测量应变数据的时间关系曲线(绿色)和应变预测结果进行对比。右:相关图对比显示了:应变预测图和测试周期中在三个典型仪表位置处所测得数据的相关性。完美相关的情况应是斜率为1的直线。

 

strain gauges

根据模态分析数据建议,True-Load/Pre-Test的54个应变仪的位置

 

True-Load results

True-Load/Post-Test计算的模态参与函数可确定各个模态对总体响应的贡献度。图形表明幅度范围随模态和频率增加而相应减少,实际情况应该如此。

 

“采用最新版ANSYS Mechanical中的模型装配体功能,团队能以三倍于之前工作流程创建单个模型的速度创建网格。”

结果与过程改进

疲劳预测表明,指定占空比并不会导致底座受损,理论上结构具有无限使用寿命。团队发现,旨在减少底座重量的后续重复设计并未明显改善Mechanical前几个模态的预测模态形状与频率。由于前几个模态对整体响应贡献最大,我们可将已测试设计方案的加载函数用于True-Load和疲劳软件包中评估重复设计方案的近似值。

可从相对少的离散测量位置抽取全场应变结果,因此康明斯工程师发现这样就能够消除过度设计,缩短开发与测试时间,降低整体部件成本,从而带来巨大的附加价值。另外,与传统方案相比,新方法还可推动分析和实验部门在疲劳评估的端到端工作流程中加深协作。由于能显著加快设计和分析过程,团队计划在将来把新方法用于关注模态响应的其它发电机组结构,如风机、散热器、罩盖和曲轴等。

first principle strain
底座主应变的True-Load结果
first principle strain
底座总位移的True-Load结果
 

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