水力发电机组蜗壳不同埋入方式时的接触力学行为和传力机制研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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水力发电机组蜗壳不同埋入方式时的接触力学行为和传力机制研究

项目名称：水力发电机组蜗壳不同埋入方式时的接触力学行为和传力机制研究
项目类别：面上项目
批准号：51179141
申请代码：E090801
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2012-01-01-2015-12-31

项目负责人：伍鹤皋
依托单位：武汉大学
批准年度：2011

中文摘要：

水轮机钢蜗壳和外包混凝土组合结构是发电机组支撑结构的基础，其结构安全性与耐久性是水力发电机组长期稳定运行的根本保证。本项目以水力发电机组蜗壳与外包混凝土之间的接触力学行为和传力机制为中心，在认真总结与归纳现有文献资料的基础上，拟根据蜗壳与垫层、混凝土等材料的物理特性，设计并制备室内试件以确定不同材料交界面上摩擦接触力学参数；采用基于扩展拉格朗日乘子算法的库仑摩擦接触模型，研究蜗壳与外包混凝土结构间的接触力学行为与传力机制；基于原型观测成果，回归分析蜗壳与垫层、混凝土之间初始缝隙开度的时空分布规律；根据模型试验成果，验证完善混凝土塑性损伤模型，研究蜗壳外包混凝土的变形特征与损伤开裂状态，探讨机组蜗壳不同埋设方式对蜗壳与外包混凝土之间的接触滑移和传力机制的影响规律。研究成果可为解决大中型水力发电机组建设、运行中的关键问题提供技术支撑，完善我国水电工程理论。

中文主题词：机组蜗壳；埋入方式；摩擦接触；损伤开裂；传力机制

英文摘要：

spiral case of units；embedding manner；frictional contact；damage fracture；load-transfering mechanism

英文主题词： spiral case of units；embedding manner；frictional contact；damage fracture；load-transfering mechanism

结论摘要：

蜗壳是水电站核心—水轮机的重要组成部分。按照水电站蜗壳施工工艺与埋设方式可以分为三种垫层蜗壳、充水保压蜗壳、直埋蜗壳（又称完全联合承载蜗壳）。由于蜗壳与外包混凝土结合方式的不同，蜗壳结构的传力机理与受力特征亦有所不同。众多研究成果表明，蜗壳与外包混凝土间的接触力学行为与传力机理、蜗壳外包混凝土的损伤开裂状态是影响机组安全运行与结构耐久性的关键问题。为此本项目以水力发电机组蜗壳与外包混凝土之间的接触问题和传力机理为中心，在认真总结与归纳现有文献资料的基础上，开展了以下三方面的研究（1）蜗壳和外包混凝土之间的接触力学行为研究；（2）蜗壳外包混凝土的塑性损伤模型研究；（3）不同埋设方式蜗壳和外包混凝土传力机理研究。在蜗壳和外包混凝土之间的接触力学行为的研究中，主要围绕水电站垫层蜗壳结构中钢蜗壳与垫层、混凝土之间的接触状态、垫层力学性能、摩擦系数的取值与影响开展了研究。根据大量的垫层材料实测应力应变曲线，拟合出了聚氨酯软木垫层材料的加载-卸载应力应变曲线，为垫层蜗壳的研究提供了新的数学模型；为了减小蜗壳力学模型的规模同时提高计算精度，开发出了模拟垫层材料的软接触单元；通过与国内外钢材-混凝土摩擦试验结果和大型水电站蜗壳结构的对比分析，首次提出了钢材与混凝土之间摩擦系数由过去的0.2提高到0.5～0.6的建议，以保证蜗壳结构安全，对工程设计具有非常重要的参考价值。在蜗壳外包混凝土的塑性损伤模型研究方面，根据瀑布沟水电站蜗壳物理模型的试验结果，开发并论证了混凝土弹塑性损伤模型在水电站蜗壳非线性分析中的可行性和合理性，然后将该模型及相应的损伤曲线成功应用于三峡水电站15号机组以及溪洛渡、向家坝、乌东德、白鹤滩等水电站50多台700WM以上巨型机组的数值分析当中，取得了巨大的经济效益和社会效益，并具有广泛的应用前景。在不同埋设方式蜗壳和外包混凝土传力机理研究方面，采用上述试验得到的许多成果和数学模型及软接触单元，对垫层蜗壳、充水保压蜗壳、直埋-垫层组合蜗壳的静动力特性开展了研究，首次从定量的角度得到了充水保压蜗壳的间隙闭合过程及分布，印证了二滩水电站充水保压蜗壳原型观测的结果；得到了机组蜗壳不同埋设方式对蜗壳与外包混凝土之间的接触滑移和传力机制的影响规律。研究成果可为解决大中型水力发电机组建设、运行中的关键问题提供技术支撑，完善我国水电工程理论。

成果综合统计