水轮发电机机架设计与有限元分析

河北工程大学本科生毕业论文（设计）论文题目：水轮发电机的机架结构设计及有限元分析姓名：罗成学号：080282139班级：1班年级：08级专业：热能与动力工程（水动方向）学院：科信学院指导教师：张海军完成时间：2012年5月摘要机架是发电机安置轴承的主要支撑部件。常规卧式发电机的轴承一般采用座式支架支撑。在立式电机中机架用来支撑推力轴承、导轴承及制动器等部件。所以机架是水轮发电机的重要结构部件。本文将重点叙述立式发电机的机架结构、型式、选型及其计算。本文还将针对性的对SF150-60/12800水轮发电机，负荷下机架承受水推力。等高载荷的特点，运用CATIA进行模拟设计和有限元分析，针对校验结果从而检验设计是否达到标准。关键词：水轮发电机机架强度有限元分析AbstractTherackisgeneratorplacementbearingthemainsupportmember.Theconventionalhorizontalgeneratorbearingthegeneraluseofseattypesupport.Theverticalmotorframeusedtosupportthrustbearing,guidebearingandbrakecomponents.Sotheframeisimportantstructuralcomponentsofturbinegenerator.Thisarticlewillfocusontheverticalgeneratorframestructure,type,typeselectionandcalculation.ThisarticlewillalsotargetedforSF150-60/12800turbinegenerator,loadbearingthrustframe.Highloadcharacteristics,useCATIAtosimulatethedesignandfiniteelementanalysisforcheckingresults,totestwhetherthedesignstandards.Keyword：HydraulicturbinegeneratorRackStrengthFiniteelementanalysis目录绪论6第一章水轮发电机的选型71.1概述71.2水轮发电机的分类7按照水轮发电机组的布置方式不同分7按照推力轴承位置不同分8按照冷却方式不同分8按照水轮发电机按轴线位置可分8水轮发电机结构9水轮发电机参数9水轮发电机特点10水轮发电机参数10第二章水轮发电机的选型计算112.1原始资料112.2发电机结构型式的选择11第三章机架结构设计153.1机架的结构及选型15机架的结构型式与分类15机架的主要结构部件16机架的适应变形结构16对机架的制造工艺要求173.2负荷机架的计算17第四章水轮发电机负荷下机架强度有限元分析254.1CATIA介绍2525262626264.2有限元分析27有限元分析介绍27有限元分析特点27有限元发展趋势28有限元分析步骤294.3机架材料强度要求304.4机架主要部件展示314.5机架模型设计极其装配34机架模型设计三维图34机架材料的添加354.6机架装配图有限元分析36毕业设计总结43谢辞44参考文献45附录46附录1SF150—60/1280水轮发电机机架主要零部件尺寸46附录2SF150—60/1280水轮发电机机架主要技术数据47绪论水力资源是既清洁又可再生的能源，是用于发电的优质能源。水力发电是利用江河源远流长的流量和落差形成的水的势能发电，是一次性能源直接转换成电力的物理过程，它不消化1m水，也不污染1m水，不排放1m有害气体，也不丢弃1kg固体废物，是清洁的能源。水力资源的另一个特点是地球上水循环不中止，水资源是永恒的，可再生的能源。水力发电获得的电量也不消耗总的资源量。本文旨在讨论和研究水轮发电机机架结构的设计和强度分析，综述有关的基本原理和作用。本文共分4章。第一章共2节，主要论述了水轮发电机的基本原理，分类及其选型,以及发电机的各种参数；第二章共2节，针对水轮发电机结构的特点和设计作了论述；第三章共2节，针对水轮发电机结构的特点和设计作了论述；第四章，共6节对CATIA软件进行介绍，并主要对建立模型设计和分析模型设计是否满足要求。第一章水轮发电机的选型1.1概述人类社会离不开能源，电能是现代能源中应用最广泛的二次能源。它的生产和变换经济，传输和分配容易，使用和控制方便。而电能的生产、变换、传输、分配、使用和控制离不开电机，同时电机又是工业、农业、交通运输、国防以及人们日常生活中必不可少的设备。电机按其功能大致分为四大类：（1）发电机——把机械能转化成电能。（2）电动机——把电能转化成机械能。（3）变压器、变流机、变频机、移相器——分别用于改变电压、电流、频率和相位。（4）控制电机——作为控制系统中的元件。水电厂中的发电机均为同步发电机，它把水轮机的机械能转换成电能，通过变压器、开关、输电线路等设备送往用户。当导线切割磁力线时可产生感应电动势，将导线练成闭合回路，就有电流留过，同步发电机就是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的。1.2水轮发电机的分类水轮发电机分为立式、卧式两种。立式布置的水轮发电机，主轴为垂直方向。卧式布置的水轮发电机，主轴为水平方向。卧式大多用于小型水轮发电机组以及部分大中型水斗式水轮发电机和贯流式机组。而中、低速大、中型水轮发电机绝大多数采用立式（竖轴）布置。立式水轮发电机特点：（1）可以制成大容量的机组。（2）由于转子直径大，飞轮力矩也较大。（3）推力轴承为立式，运行稳定性较好。（4）安装及检修方便。立式装置的水轮发电机，按其推力轴承的装设位置不同，分为悬式和伞式两大类。推力轴承位于转子上方的水轮发电机称为悬式水轮发电机；推力轴承位于转子下方的水轮发电机称为伞式水轮发电机，既有上导又有下导的称为普通伞式，有上导无下导的称为半伞式，有下导而无上导的称为全伞式。表1-1悬式和伞式水轮发电机的比较表型式悬式伞式结构特征水轮机机坑及发电机定子直径较小，推力轴承支架布置在上机架内水轮机机坑及发电机定子直径较大，推力轴承支架布置在下机架内传力方式轴向推力通过定子机座传至基础轴向推力通过发电机机墩或顶盖传至基础优点推力轴承直径较小，损耗小，安装维修方便；上机架刚度大；运行稳定性好机组高度较小；重量轻，材料消耗较小；造价较低水轮发电机可分为空冷式、水冷式和蒸发冷却等方式。可分为立式与卧式两类。大中型机组一般采用立式布置，卧式布置通常用于小型机组和贯流式机组。立式水轮发电机按导轴承支持方式又分为悬式和伞式两种。伞式水轮发电机按导轴承位于上下机架的不同位置又分为普通伞式、半伞式和全伞式。悬式水轮发电机的稳定性比伞式好，推力轴承小，损耗小，安装维护方便，但钢材耗量多。伞式机组总高度低，可降低水电站厂房高度。卧式水轮发电机一般用于转速大于375r/min的情况，以及一些小容量电站。水轮发电机对于水轮发电机的容量和转速等级划分,目前世界各国尚无统一的标准。根据我国的情况,大致上可以按下表划分其容量和转速等级：分类额定功率Pn(kW额定转速Nn(r/min低速中速高速微型水轮发电机<100750-1500小型水轮发电机100-500<375375-600750-1500中型水轮发电机500-10000<375375-600750-1500大型水轮发电机>10000<100100-375>375水轮发电机由转子、定子、机架、推力轴承、导轴承、冷却器、制动器等主要部件组成（见图）。定子主要由机座、铁芯和绕组等部件组成。定子铁芯用冷轧硅钢片叠成，按制造和运输条件可做成整体和分瓣结构。水轮发电机冷却方式一般采用密闭循环空气冷却。特大容量机组倾向于以水作为冷却介质，直接冷却定子。如同时冷却定子和转子则为双水内冷水轮发电机组。水轮发电机的安装结构形式通常由水轮机的型式确定。主要有以下几种型式:1卧式结构卧式结构的水轮发电机通常有冲击式水轮机驱动。卧式水轮机组通常采用两个或三个轴承。两个轴承的结构其轴向长度短，结构紧凑，安装调整方便。但当其轴系临界转速不能满足要求或轴承负荷较大时，这需要采用三轴承结构。国产卧室水轮机发电机组大部分属于中小型机组。而容量为12.5MW的大型卧式机组也有生产，国外生产的卧式水轮发电机组，容量在60--70MW的并不罕见，而用抽水蓄能电站的卧式水轮发电机组，单机容量可达300MW。2立式结构国产水轮发电机组广泛采用立式结构。立式水轮发电机组通常由混流式或轴流式水轮机驱动。立式结构又可分为悬式和伞式。发电机推力轴承位于转子上部的统称为悬式,位于转子下部的统称为伞式。3贯流式结构贯流式水轮发电机组由贯流式水轮机驱动。贯流式水轮机是一种带有固定或可调转轮叶片的轴流式水轮机的特殊型式。它的主要特征是转轮轴线采取水平或倾斜布置,并与水轮机进水管和出水管水流方向一致。贯流式水轮发电机具有结构紧凑,重量轻的优点,广泛用于低水头的电站中。水轮发电机参数①额定效率：用以表示水轮发电机的容量，以千瓦计。额定功率除以效率不应大于水轮机的最大轴出力。②额定电压：水轮发电机的额定电压需经技术经济比较会同制造厂决定，当前水轮发电机的电压从6.3kV到18.0kV。容量越大则额定电压越高。③额定功率因数:发电机的额定有功功率与额定视在功率之比,用cosφn表示,远离负荷中心的水电站常采用较高的功率因数，功率因数增大则电机的造价可略降低。水轮发电机特点①蓄能电站在电网中主要起调峰填谷作用，机组起动停止很频繁。发电电动机的结构必须充分考虑其反复出现的离心力，对结构材料造成疲劳和定子、转子绕组上的热变化和热膨胀，定子常采用热弹性绝缘；②可逆式发电电动机用常规水轮发电机转子上的风扇不能满足散热降温的要求,对大容量高转速的机组一般采用外设风扇;③推力轴承和导轴承在正反旋转时，油膜都不能破坏；④结构与起动方式有密切关系，用起动电动机则在同轴上装有专用电动机，如需改变发电电动机转速时，除改变电源相位外，还需将定子绕组改接和将转子换极。水轮发电机参数主要为提高水轮发电机的单机容量向巨型机组发展，为了提高其可靠性和耐久性，在结构上采用不少新技术。例如为解决定子的热膨胀而用定子浮动结构、斜支承等，转子采用圆盘式结构。为解决定子线圈的松动，用弹性楔下垫条以防止线棒绝缘磨损。改进通风结构，减少风损和端部涡流损耗以进一步提高机组效率。①随着水泵水轮机制造技术的发展，发电电动机的转速和容量也在增大，向大容量高转速发展。世界上装有大容量、高转速发电电动机的已建蓄能电站有英国的迪诺威克抽水蓄能（33万kVA、500r/min）等。②采用双水内冷发电电动机,定子线圈、转子线圈及定子铁芯用离子水直接内冷方式可提高发电电动机的制造界限。美国拉孔山抽水蓄能电站的发电电动机（42.5万kVA、300r/min）,也采用双水内冷。③磁推力轴承的应用。随着发电电动机容量增大转速增高，机组的推力负荷及起动转矩也在增加。用了磁推力轴承后，推力负荷由于加上了与重力反方向的磁吸引力，从而减少了推力轴承的荷载,减小了轴面阻力损失,降低了轴承温度和提高了机组效率，起动阻力矩也减小。韩国的桑朗京抽水蓄能电站的发电电动机（33.5万kVA、300r/min）即采用磁推力轴承。第二章水轮发电机的选型计算2.1原始资料丹江口TS1280/180-60水轮机型号HL220-LJ-550发电机的主要技术数据额定功率176500千伏安额定电压15750伏额定电流6480安功率因数0.85频率50赫兹额定转速100转/分2.2发电机结构型式的选择（1）发电机的结构型式主要取决于水轮机的结构形式和转速，同时要有利于水电站的总体布置。以使厂房开挖量小，降低电站造价，提高机组技术经济指标,因此初选为立式发电机（2）发电机磁极个数2P因为,所以p=60/n;已知=50Hz（rad/min）则有p=30,2p=60综合个方面因素，最终选择发电机型号为SF150-60/1280（3）极距和飞逸线速度则有极距（cm）CMS——额定视在功率（KVA）K——系数，一般为,这里取9飞逸线速度(m/s（1·3）式中k为飞逸系数，与水轮机转轮型式有关，一般按k=1.8考虑，飞逸线速度v的数值受转子的机械强度限制，它与转子的磁轭材料有关。（4）型式最终确定由于初选为立式，则可按的值来选定当0.025时，多采用悬式当>0.025时，多采用半伞式当时，多采用全伞式式中，对于大容量水轮发电机这里根据需要则=0.069>0.05故采用全伞式机架根据所选水轮发电机的型号，查《水电站机电设计手册·水力机械》可得到一下相关数据：水轮发电机型号：；额定容量：，功率因数：额定电压：飞逸转速：；额定转速：飞轮力矩：；转子重量：，定子，总重量；最大运输部件：长×宽×高=9.1×3.7×2.8重量定子铁芯主要尺寸：外径，内径，长度；定子机座高度：，上机架高度：转子外径：，下机架最大跨度：；下机架高度：。以上数据均来自《水电站机电设计手册，水力机械》表3-11又根据水轮机型号查《水电站机电设计手册，水力机械》可查到。流量：，转速，额定出力：轴向水推力：687（t）水轮机重量：650（t）材料：转轮重量：114（t）导叶数目：24转轮标称直径：以上数据均来之《水电站机电设计手册，水力机械》国内部分10000千万以上的混流式水轮机主要参数。第三章机架结构设计3.1机架的结构及选型机架是立式水轮发电机安置推力轴承、导轴承、制动器、励磁机定子及转桨式水轮机受油器的支撑部件。对于灯泡式水轮发电机，机架只承受轴向水推力。因此，机架是水轮发电机的一个较为重要的结构部件。机架的结构型式通常由水轮发电机的总体布置（即悬式、伞式或半伞式结构）确定。机架系由中心体和数个支臂组成的钢板焊接结构。由于运输尺寸的限制，当机架支臂外端的对边尺寸小于4米时可采用中心体与支臂焊为一体的结构；当机架支臂外端的尺寸大于4米时，应采用可拆卸支臂的机架，也可采用部分拆卸支臂或井字形结构的机架。按机架承载性质分为：（1）负荷机架放置推力轴承的机架统称为负荷机架。它承受机组转动部分的全部重量，水轮机的轴向水推力、机架自重及作用在机架上的其他负荷。悬式发电机的上机架、伞式或半伞式发电机的下机架都属于负荷机架。根据结构布置要求，有时也将导轴承装设在负荷机架内，所以这种负荷机架除承受轴向负荷外还承受径向负荷。悬式发电机的上机架固定在定子机座定环上。这种机架的跨度较大，为了满足其挠度值在允许范围内，需增加机架的高度。伞式发电机的负荷下机架位于转子下面，它通过基础板用地脚螺栓固定在基础上，机架的跨度较小，因此在挠度值相同的条件下，可降低高度。（2）非负荷机架一般只放置导轴承，主要承受转子径向机械不平衡力和因为定子、转子气隙不均匀而产生的单边磁拉力，非负荷机架承受的轴向负荷有：转桨式水轮机的受油器、导轴承油槽励磁机定子、上盖板重量、顶起转子时机组转动部分的重量以及自重等。悬式发电机的下机架和半伞式发电机的上机架均属于非负荷机架。按机架支臂结构型式分：（1）辐射型这种结构受力均匀，适用于负荷机架、非负荷下机架和跨度较大的低速大容量发电机的非负荷上机架。（2）井字型机架的各个支臂与中心体间构成井字型式称为井字形机架，由于受力的原因，一般用于大、中型水轮发电机的非负荷机架。井字形机架支臂外端对边尺寸超出（大于4米）运输限制尺寸时，可将4个支臂做成可拆式的结构，以满足运输的要求。（3）桥型中小型水轮发电机的推力负荷不大（一般在300t以下），而机架的尺寸又较小（通常不超过4m），在这种情况下，无论是负重机架还是非负荷机架都可采用桥形机架。综上所述，根据所选择的水轮发电机型号SF150-60/1280,水轮发电机的机架选择下机架辐射型。（1）中心体中心体是由上、下圆板和若干条立板组成的焊接部件。根据发电机总体布置不同，中心体的结构形式各有差异。（2）支臂支臂是机架的主要结构部件，它是由上、下翼板和腹板组装成的工字形或盒形截面的焊接结构。（3）合缝板当机架尺寸超出运输限制时，可做成可拆式结构，目前大致有两种结构形式。a.大合缝板结构型式机架中心体与支臂间采用大合缝板连接，在工厂分别加工后，用合缝螺栓在工地把合合成一体。合缝板一般用50~60mm的钢板（Q235）加工而成。为使中心体与支臂具有良好的定位，合缝板采用圆柱销或凸台止口定位。b.小合缝板结构型式近年来，大多数机架中心体与支臂不采用把合式大合缝板结构。而是采取在工程分别焊接，在用小合缝板加工定位，运到工地后将支臂与中心体焊接成一体，这样既缩短加工时间，又减轻机架重量，降低电机成本。机架的适应变形结构支臂的结构尺寸对机架的刚度及材料消耗有直接影响。根据支臂力矩的分布情况，增大比值H/l，使b<b,并适当减薄腹板厚度是比较合理的。根据机架的跨距，每个支臂承受的负荷以及允许挠度值，可选取一个合理的H/l和b<b值。为了减小无下导轴承发电机的径向振动，通常在上机架支臂外端装设承受径向力的千斤顶。千斤顶的另一端固定在发电机机坑壁上。千斤顶的载荷可按上导轴承总载荷的1.5~2倍考虑（此总载荷一般由机架的四分之一支臂承受）。为了使机坑壁在发电机板书磁极短路是不受损坏，在千斤顶上装设了剪断销。为了适应低速、大容量水轮发电机定子铁芯热膨胀引起的变形，国外已经采用了适应这个热变形的机座，而固定在机座顶环上的上机架也相应采用了适应定子径向变形的结构（即不约束定子机座径向胀大），支臂的下翼板底下装有弹簧板，支臂采用径向布置，这种结构也能满足适应变形的要求，简单适用。葛洲坝水轮发电机的定子机座与上机架采用了适应这种热变形的径向销钉连接固定结构。对机架的制造工艺要求为满足对机架焊接、加工的质量要求，应采取合理的工艺措施：（1）母材（钢板或铸件等）与焊条应具有良好的可焊性。对于连续封闭焊缝，应采用小规范对称均匀的焊接的方式，以减小机架变形和焊缝应力。（2）对于负荷机架，焊后应退火，退火后再加工合缝面。（3）对于非负荷机架的合缝面，可先加工后焊接。焊接时两合缝板应搭焊拉筋，并采用合理的焊接方法和顺序。焊后，合缝面的间隙应符合有关技术要求。（4）对于支臂外端下翼板底面的电垫板，可与中心体一起整体加工；也可在工地安装时按实际情况配装垫板，但在焊接时应注意控制焊接变形。3.2负荷机架的计算（1）基本数据1.机架总负荷P=发电机转子重量+水轮机转轮重量+转轴重量+机架自重+励磁机重量+水推力等（kgf）发电机转子重量：式中均已按米计K—经验系数，按下表1选取额定转速定子铁心内径K214-750150-214100-15054.6-10055-98-1210-184.3-6.83.1-4.02.45-3.11.55-2.16则根据已知=100=12.08m选取K=2.16所以水轮机转轮重量：114（tf）转轴重量：32.6（tf）机架自重：80.7（tf）水推力：687（tf）由于现在很多励磁机都不放置在机架上，则所以（kgf）2.作用在每个支臂上的力P=（kgf）（3·1）（kgf）式中m——支臂数。3.支臂对上、下圆板的径向作用力T=（kgf）（3·2）（kgf）4.作用在中心体的总扭矩（）（3·3）（kgf·cm）式中——负荷的作用半径（cm）5.中心体截面重心位置的惯性矩（1）重心位置（cm）（3·4）（cm）（3·5）（2）惯性矩（cm）（3·6）（cm）6.支臂截面积和惯性矩（设）（1）支臂外端（cm）（3·7）（cm）（cm）（3·8）（cm）（2）支臂内端（cm）（3·9）（cm）（cm）（3·10）（cm）（3）比值；（3·11）；（4）计算系数、（查表2-2）表2-1计算系数、，0.001.001.000.051.021.011.101.051.030.151.081.040.201.111.050.251.151.070.301.191.090.351.231.100.401.281.120.451.331.140.501.381.160.601.531.200.701.721.250.802.011.310.902.561.38（2）应力计算（1）上圆板内圆切向应力（kgf/cm）（3·12）（当时，则应计算下圆板内圆切向应力）。（kgf/cm）（2）支臂与中心体连接处应力（合缝板型式）：a.下合缝板螺钉拉应力（kgf/cm）（3·13）式中为下合缝板连接螺钉受拉总面积，cm。b.下合缝板焊缝剪应力（kgf/cm）（3·14）式中为下合缝板与中心体焊缝受剪总面积，cm。（3）支臂内端弯曲应力（kgf/cm）（3·15）表2-2机架的许用应力值（单位kgf/cm）许用应力钢种A4535CrMo[或][][][][]1800100090080090018502550（3）挠度计算（1）中心部分挠度：a.中心部分扭转角（rad）（3·16）（rad）b.因扭转产生的挠度（cm）（3·17）（cm）c.中心部分因剪力产生的挠度（cm）（3·18）（cm）式中：为中心部分筋板厚度，cm；G为剪切弹性模量，kg/cm。（2）支臂挠度：a.弯曲挠度（cm）（3·19）（cm）b.剪切挠度（cm）（3·20）（cm）（3）机架总挠度（cm）其中：动挠度（cm）（cm）静挠度（cm）机架的挠度计算值可参照表2-3确定。表2-3机架挠度取值范围负荷（tf）跨距（m）挠度值（mm）>1000>103~51000（悬式机组）>1000（伞式机组）<101.5~3<500<50.5~1.5（4）机架刚度、柔度及自振频率计算（1）机架轴向刚度（kgf/cm）（3·21）（kgf/cm）（2）机架支臂径向柔度（cm/kgf）（3·21）（kgf/cm）（3）机架与推力轴承的合成刚度（kgf/cm）（3·22）（kgf/cm）式中：推力轴承轴向刚度，kgf/cm。（4）机架轴向固有频率（次/min）（3·23）（次/min）式中：为机架静载荷，kg。（5）共振比值系数（3·24）式中：Z为水轮机转轮叶片数。第四章水轮发电机负荷下机架强度有限元分析4.1CATIA介绍CATIA是法国DassaultSystem公司旗下的CAD/CAE/CAM一体化软件，DassaultSystem成立于1981年，CATIA是英文ComputerAidedTri-DimensionalInterfaceApplication的缩写。在70年代DassaultAviation成为了第一个用户，DassaultAviation是世界著名的航空航天企业，其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。从1982年到1988年，CATIA相继发布了1版本、2版本、3版本，并于1993年发布了功能强大的4版本，现在的CATIA软件分为V4版本和V5版本两个系列。V4版本应用于UNIX平台，V5版本应用于UNIX和Windows两种平台。CATIA如今其在CAD/CAE/CAM以及PDM领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。其销售利润从最开始的一百万美圆增长到现在的近二十亿美元。雇员人数由20人发展到2，000多人。居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子\电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括：从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户选择了CATIA。CATIA源于航空航天业，但其强大的功能已得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。CATIA的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了CATIA在CAD/CAE/CAM行业内的领先地位。设计对象的混合建模：在CATIA的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了真正的互操作；变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA提供了变量驱动及后参数化能力。几何和智能工程混合建模：对于一个企业，可以将企业多年的经验积累到CATIA的知识库中，用于指导本企业新手，或指导新车型的开发，加速新型号推向市场的时间。CATIA具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性无论是实体建模还是曲面造型，由于CATIA提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于CATIA来说，都是非常容易的事。CATIA的各个模块基于统一的数据平台，因此CATIA的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维，以及有限元分析，模具和数控加工的程序中。CATIA提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式已不再是新鲜的概念，总体设计部门只要将基本的结构尺寸发放出去，各分系统的人员便可开始工作，既可协同工作，又不互相牵连；由于模型之间的互相联结性，使得上游设计结果可做为下游的参考，同时，上游对设计的修改能直接影响到下游工作的刷新。实现真正的并行工程设计环境。CATIA提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立；同时，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计，工程分析及仿真，数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，为用户提供严密的无纸工作环境，特别是CATIA中的针对汽车、摩托车业的专用模块，使CATIA拥有了最宽广的专业覆盖面，从而帮助客户达到缩短设计生产周期、提高产品质量及降低费用的目的。V5版本的开发开始于1994年，CATIAV5版本是IBM和达索系统公司长期以来在为数字化企业服务过程中不断探索的结晶。围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的CATIAV5版本，可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中，可以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。新的V5版本界面更加友好，功能也日趋强大，并且开创了CAD/CAE/CAM软件的一种全新风格。4.2有限元分析有限元法（FEA，FiniteElementAnalysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=RayleighRitz法+分片函数”，即有限元法是RayleighRitz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的RayleighRitz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势：1、与CAD软件的无缝集成当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件（如Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。2、更为强大的网格处理能力有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。3.由求解线性问题发展到求解非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材（点巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、自考助学单位：ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。4.由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解2013年湖北省成人高等教育本科生申请学士学位外语考试（下称“成人学士学位外语考试”）将于2013年3月有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解进行。为做好网上报名和现场确认工作，请各有关学院、函授站（点"热力耦合规定的时间、问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动，这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓"。现将有关事项通知如下："的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。5.程序面向用户的开放性名对象及条件随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。1.已取得学籍、修完本科阶段英语课程（外语专业学生为第二外语）并取得合格成绩的三峡大学成人教育本科在校学生。关注有限元的理论发展，采用最先进的算法技术，扩充软件的性能，提高软件性能以满足用户不断增长的需求，是CAE软件开发商的主攻目标，也是其产品持续占有市场，求得生存和发展的根本之道。2.已注册为三峡大学自学考试本科在籍学生。2012年12月份毕业的湖北省高等教育自学考试学生符合国家学士学位授予条件的可以报考。二、报名日期2013年湖北省成人学士学位外语考试报名实行网上报名与现场报名确认相结合的方式进行。1、网上报名时间：2013年有限元分析步骤日-对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：5日（3月第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网格越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。日17第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。7天时间对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。2、现场报名确认时间：第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方案（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。年3月日-3月10日（每天上午8：00-12：00、下午1：30-4：30）。3机架材料强度要求现场报名确认地点：三峡大学成人教育学院（中校区图书馆一楼）（原宜昌师专校园内，地址：宜昌市胜利三路的水轮发电机，采用全伞式布置，因此承重部分为下机架，该下机架是水轮发电机的主要部件之一，在运行工况下，除了承受轴向静载荷的作用外，还受到交变动载荷的作用。实践表明作用力越大，部件的变形越大，当作用力过大时，部件则将发生断裂或者显著塑性形变，显然部件工作是发生意外断裂或者显著塑性形变是不容许的。号）。例如，如果机床主轴或床身变形过大将影响加工精度，齿轮变形过大，势必影响齿轮吻合，而水轮发电机机架发生变形，将影响推力轴承等部件的位置，从而影响整个机组的运行工况，严重时将导致事故发生，因此，水轮发电机机架工作是产生失稳是更不允许的。三、报名办法针对上诉情况，对机架设计提出以下要求：1、网上报名1、（2机架应该具备足够的稳定性（即保持原有平衡形式的能力），以保持在规定的使用条件下不失稳。（3以上三项是保证机架正常或者安全工作的基本要求。在设计部件是除应该满足上述要求外，还应该尽可能的合理选用材料与节省材料，从而降低制造成本并减轻机架重量。为了安全可靠，往往希望选用优质材料与较大截面尺寸，但是，由此可能造成材料浪费与结构笨重。可见安全与经济及安全及重量之间存在矛盾。因此，如何合理选用材料，如何确定构件的截面形状与尺寸，便成为机架设计中的一些十分重要的问题。网报号和密码。切莫因手误报错了学校和现场报名确认点。2、现场报名确认网上报名成功后，考生在20134.4机架主要部件展示月7日—310中心体期间，持二代身份证中心体是由上圆板、下圆板和立板等组装成的圆盘形焊接结构。根据推力轴承的布置方式分为以下几种类型：或二代身份证信息读不出来的将无法报名）凭网报号中心体有典型机架中心体如下图所示：所有考生都必须进行网上报名，参加网上报名的人员不得进行现场报名确认。只进行了网上报名而未到报名点办理确认手续的人员当次报名无效。（1）缴费。按省财政厅、省物价局规定，考生参加成人学士学位外语考试应交报名考试费50元。、上圆板2、加强面3、轴承座垫板4、合缝板5、下圆板）采集照片。考生到现场采集二代身份证上的照片信息和本人现场照片信息。身份证上的照片和现场采集的电子照片将同时作为准考证上的图像使用。、横梁7、立筋8、导轴承座圈构成）3）确认报名信息。照相结束后，工作人员打印《报名信息表》给考生核对，考生仔细核对无误后，在表上亲笔签名确认。推力轴承与导轴承合用一个油槽的机架中心体如下图所示：四、考试1、考试时间：3月30日上午、轴承座垫板2、上圆板、合缝板、4油槽立筋、2立筋构成）英语、日语和法语。3、考试大纲装有到轴承的机架中心体如下图所示：省学位办与省教育考试院联合制订的版）（由1-2-该书在现场确认期间有少量现买，定价上圆板3-合缝板4-立筋5-下圆板构成）准考证下载时间：2013年3月23日至29日。5、考试时考生一律刷二代身份证进入考点，考场根据二代身份证信息核验考生身份。没有二代身份证或二代身份证信息刷不出来的考生一律不准进入考点。三峡大学成教育学院教学管理部联系人陈2-腹板、合缝板五、学位英语考前培训它是连接机架中心体和支臂的一个部件，主要链接方式有固定连接和螺栓连接两种方式。下面就展示一下螺栓连接的合缝板如下图所示：为提高学位英语考试通过率，成人教育学院综合考试部3年由（1-螺杆3月24日两个周末全天培训成人学位英语考试课，培训32学时，培训费200元/人，有意参加培训者，其报名交费在现场报名确认时一并办理4.5机架模型设计极其装配。附：湖北省教育考试院《关于做好2013年成人高等教育本科生申请学士学位外语考试工作的通知》（鄂高考〔2012〕71号中心体内部结构三视图如下三峡大学成人教育学院二０一二年十二月支臂三视图2012〕71湖北省教育考试院关于做好2013本科生申请学士学位外语考试工作的通知中心体与支臂装配图成人高等教育本科生申请学士学位外语考试（下称“成人中设计先利用part3月中的product文档将中心体和支臂的三维立体图进行行装配会得到中心体和支臂的装配图。（图7、8、9、10来至CATIA中文档见附件中）1.湖北省内国家承认学历，已修完本科阶段英语课程（外语专业学生为第二外语）并取得合格成绩的各类成人高等学校本科在校学生及湖北省高等教育自学考试本科在籍学生。2.2012年12月份毕业的湖北省高等教育自学考试学生符合国家学士学位授予条件的可以报考。（二）报名时间及地点根据实际情况为装配好的机架添加材料属性，单击图标系统将自动弹出如下图成教学士学位外语考试实行网上报名与现场报名确认相结合的报名方式。1.选择metal（金属材料）窗口下的steel27日-3月5日（3月5日下午4.6机架装配图有限元分析2.现场报名确认时间：GenerativeStructuralAnalysis模块，将搭建好的机架装配件导入到3月611如下图所示3月10日3.图中左上角为机架在Analysis（三）报名点安排NodesandElements选项然后点击原则上本校学生在本校报考，申请省外高校学士学位的省内学生统一在武汉大学报名点报考。报名点见附件1后系统将自动对怎个机架模型进行模拟计算并得出一下结果如图12所示（四）报名办法1.由此图不难发现中心体并没有与支臂的网格划分的大小一致因此双击中心体中间的图标将出现如图12右下角的网格大小选项将网格大小设置与支臂一样大小（都为77mm）将得到图（）阅读、了解报名规定和流程。包括：阅读报名平台首页的《2013年湖北省成人学士学位外语考试报名注意事项》，了解报名相关信息。阅读报名平台首页左边栏目的《2013年湖北省成人学士学位外语考试报名点代码及联系方式》，了解现场报名确认点的地址、联系电话；阅读《2013就计算的时间来说不难发现计算得到图13的结果比图（3）点击“进入网报系统”进入注册平台，单击“新用户”按钮，阅读《成人学士学位外语考试考生诚信应考承诺书》，若愿意遵守相关规定，单击“我遵守”进入考生基本信息填报页面，详细填写考生基本信息。若点击“我不遵守”，则退出报名系统。（4）填报个人信息。考生务必认真填写并仔细核对姓名、身份证号、学位授予学校等重要信息。图（5选择申请学位学校和现场报名确认点，并预约现场报名确认时间。点击“预报名人数查询”，了解本人所在现场报名确认点不同时间预约考生人数情况，选择人数相对较少的时间预约现场报名确认。（6）提交报名信息，获取网报号。点击“提交报名信息”，系统会自动显示“信息录入成功”，并提供给考生本次网报的网报号。（AnalysisConnectionsManager以下的6位数以上21位以内。个接触面建立与实际中一样的连接方式因此点击图标（8）点击“关闭窗口”退出系统。为了保证考生信息不被他人恶意修改，考生完成网报流程后务必点击“关闭窗口”退出系统。8个接触均为刚性连接将会得到图网报后考生若对自己填报的信息有疑问或发现填报的信息有误，可在网报期间凭自己的网报号和密码登录网报系统，在“网报号”和“密码”栏内输入本人的网报号和密码，进入“考生信息界面”核对和修改信息。如果忘记密码，点击“忘记密码”进入“获取密码所需信息录入”页面输入相应内容即可找回密码。，图中的红叉就为姓名和身份证号信息。如发现错误，须及时在网报系统中修改。然后，选择图标固定整个机架如图16所有考生都必须进行网上报名，未现场报名确认。只进行了网上报名而未到报名点办理确认手续的人员当次报名无效最后，根据实际负荷情况对整个机架施加受力选择图将会弹出图框考生必须本人持二代身份证前往现场报名确认点进行现场报名确认。现场报名确认流程及办法如下：输入受力的负荷如上图）核对基本信息。考生将本人的二代身份证放在报名确认系统的二代身份证识别仪上——报名确认系统将自动显示并打印其《2013年湖北省成教本科生申请学士学位外语考试考生报名信息表》（下称《报名信息表》）z轴的负方向施加力并在Z轴选项里面确定施加力的大小）就会得到如图18图18点击对部件进行计算后根据需要得到的结果选择要得到的结果的图标。冯米斯应力显示：单机图标中的图标，显示了冯米斯应力图，见图19.冯米斯应力图用于评价盈利分布情况，右面是CATIA自动生成的调色盘颜色从蓝到红，表示应力逐渐变大。当鼠标指向节点是就是反映的次节点的图19（冯米斯应力图）位移显示：单机图标，显示了位移图，见图20位移显示代表变形情况，也是用颜色代表位移值，自动生成调色板代表一定范围的位移值，鼠标在节点时可显示此点的位移值图20（位移显示图）主应力显示：单击图标，显示了主应力的张量图，见图21。该功能显示节点出的应力张量的符号，重整个显示图可以看到形体承接显示载荷的路径和状态，颜色从蓝到红，表示应力逐渐变大。图21（主应力张量显示图）显示位移或应力的最大最小值：单击图标，可以在位移或应力图上标注位移