水電站廠房結(jié)構(gòu)的非線性和耦聯(lián)振動分析與模態(tài)參數(shù)識別.pdf

1、隨著社會與經(jīng)濟的發(fā)展，水力發(fā)電作為一種可再生的清潔能源日益得到重視和開發(fā)。水電機組的單機容量和引用水頭急劇提高，廠房振動問題日益突出。大型復(fù)雜水電站廠房結(jié)構(gòu)的動力學問題一直是國內(nèi)外研究的熱點和難點。目前，水電廠房結(jié)構(gòu)在非線性動力學、抗震、流固耦合振動、模態(tài)參數(shù)識別方法等方面略顯不足。因此，該文致力于水電站廠房結(jié)構(gòu)從工程中提煉出的動力學正、反問題的解決方案和結(jié)構(gòu)原型振動觀測等方面的研究。主要研究成果如下： (1)傳統(tǒng)的水電站廠房結(jié)

2、構(gòu)抗震研究思路主要是基于反應(yīng)譜方法對結(jié)構(gòu)進行線性分析。本文提出一種新的抗震分析方法，即用地震時程法并考慮材料的非線性因素對水電站廠房結(jié)構(gòu)進行抗震研究，地震時程分析法具有全過程仿真的特點，它使得位移場(應(yīng)力應(yīng)變場)描述更細致，包括變形、應(yīng)力、損傷形態(tài)等動力特性，它能準確的反應(yīng)廠房結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)；而考慮非線性因素則能夠展現(xiàn)裂縫出現(xiàn)的位置及其數(shù)量，能夠精確細致地暴露結(jié)構(gòu)的薄弱層和薄弱部位。這種方法的提出，對大體積混凝土結(jié)構(gòu)進行基于性能的抗震研

3、究及安全評估具有重要的意義。 (2)本文利用強耦合法把有限元理論和聲場理論結(jié)合起來，建立了流固耦合場下廠房結(jié)構(gòu)與流場的有限元動力學方程，為分析水電站廠房結(jié)構(gòu)動力學特性提供了理論基礎(chǔ)，計算了壩后式水電站廠房的流固耦合振動特性，并與河床式水電站流固耦合特性進行比較，闡述了流體-結(jié)構(gòu)兩者之間的耦聯(lián)振動特點，為水電站廠房結(jié)構(gòu)防止共振的產(chǎn)生、確保安全發(fā)電奠定基礎(chǔ)。 (3)水電站廠房結(jié)構(gòu)振動主要是水力、機械和電磁三大類振源引起的，廠

4、房結(jié)構(gòu)與機組之間存在明顯的耦聯(lián)作用，廠房結(jié)構(gòu)和機組振動系統(tǒng)呈明顯的動態(tài)耦合效應(yīng)和非線性特征，用傳統(tǒng)的力學方法預(yù)測廠房結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)較為困難。本文提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法是基于實測數(shù)據(jù)而不考慮結(jié)構(gòu)精確的數(shù)學力學模型的前提條件下，能夠非線性的映射出研究對象的振動特性，即通過機組的振動和尾水脈動的監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測廠房結(jié)構(gòu)的振動，該方法簡單、實用并具有一定預(yù)測精度，可以用于大型水電站廠房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與振動控制中。 (4)水電站廠房的振動是機械

5、力、電磁力、水力脈動共同作用的結(jié)果，其動荷載很難測得，結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別的難度不言自明。為解決以上困難，本文提出一種新的水電站廠房結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)時域識別方法：RDT+ARMA方法，即采用隨機減量法提取停機過程中的結(jié)構(gòu)振動信號，并用ARMA模型識別方法實現(xiàn)廠房結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識別；進而提出一種基于環(huán)境激勵的廠房結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別法：EMD+RDT+ARMA方法，即EMD法對環(huán)境激勵信號進行分解，隨機減量法提取IMFs的隨機減量特征后，用ARMA模

6、型方法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識別。上述兩種方法實用，并具有一定的精度，尤其適應(yīng)于結(jié)構(gòu)低階模態(tài)參數(shù)識別。 (5)水電站廠房現(xiàn)場振動測試是監(jiān)測廠房結(jié)構(gòu)動力安全與否的重要途徑。本文分析了三峽水電站廠房結(jié)構(gòu)振動原型觀測數(shù)據(jù)，研究了水電站廠房結(jié)構(gòu)振動位移隨負荷變化規(guī)律，并引入了水電站廠房結(jié)構(gòu)振動控制標準，評價了某發(fā)電負荷工況下廠房結(jié)構(gòu)的振動狀況。從理論上分析了廠房結(jié)構(gòu)的各種動荷載，計算了結(jié)構(gòu)在動荷載作用下的振動響應(yīng)，對實測數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)進行了對比