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

1、隨著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)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(jī)組的單機(jī)容量和引用水頭急劇提高，廠房振動(dòng)問題日益突出。大型復(fù)雜水電站廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，水電廠房結(jié)構(gòu)在非線性動(dòng)力學(xué)、抗震、流固耦合振動(dòng)、模態(tài)參數(shù)識(shí)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(dòng)力學(xué)正、反問題的解決方案和結(jié)構(gòu)原型振動(dòng)觀測(cè)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性分析。本文提出一種新的抗震分析方法，即用地震時(shí)程法并考慮材料的非線性因素對(duì)水電站廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震研究，地震時(shí)程分析法具有全過程仿真的特點(diǎn)，它使得位移場(chǎng)(應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng))描述更細(xì)致，包括變形、應(yīng)力、損傷形態(tài)等動(dòng)力特性，它能準(zhǔn)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(xì)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(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性能的抗震研

3、究及安全評(píng)估具有重要的意義。 (2)本文利用強(qiáng)耦合法把有限元理論和聲場(chǎng)理論結(jié)合起來，建立了流固耦合場(chǎng)下廠房結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)的有限元?jiǎng)恿W(xué)方程，為分析水電站廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性提供了理論基礎(chǔ)，計(jì)算了壩后式水電站廠房的流固耦合振動(dòng)特性，并與河床式水電站流固耦合特性進(jìn)行比較，闡述了流體-結(jié)構(gòu)兩者之間的耦聯(lián)振動(dòng)特點(diǎn)，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(dòng)主要是水力、機(jī)械和電磁三大類振源引起的，廠

4、房結(jié)構(gòu)與機(jī)組之間存在明顯的耦聯(lián)作用，廠房結(jié)構(gòu)和機(jī)組振動(dòng)系統(tǒng)呈明顯的動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)和非線性特征，用傳統(tǒng)的力學(xué)方法預(yù)測(cè)廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)較為困難。本文提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)方法是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)而不考慮結(jié)構(gòu)精確的數(shù)學(xué)力學(xué)模型的前提條件下，能夠非線性的映射出研究對(duì)象的振動(dòng)特性，即通過機(jī)組的振動(dòng)和尾水脈動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，該方法簡(jiǎn)單、實(shí)用并具有一定預(yù)測(cè)精度，可以用于大型水電站廠房結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)與振動(dòng)控制中。 (4)水電站廠房的振動(dòng)是機(jī)械

5、力、電磁力、水力脈動(dòng)共同作用的結(jié)果，其動(dòng)荷載很難測(cè)得，結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)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(shí)域識(shí)別方法：RDT+ARMA方法，即采用隨機(jī)減量法提取停機(jī)過程中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)，并用ARMA模型識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)廠房結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識(shí)別；進(jìn)而提出一種基于環(huán)境激勵(lì)的廠房結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別法：EMD+RDT+ARMA方法，即EMD法對(duì)環(huán)境激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行分解，隨機(jī)減量法提取IMFs的隨機(jī)減量特征后，用ARMA模

6、型方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的識(shí)別。上述兩種方法實(shí)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(shí)別。 (5)水電站廠房現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試是監(jiān)測(cè)廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)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(dòng)原型觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究了水電站廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移隨負(fù)荷變化規(guī)律，并引入了水電站廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)了某發(fā)電負(fù)荷工況下廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀況。從理論上分析了廠房結(jié)構(gòu)的各種動(dòng)荷載，計(jì)算了結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比