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CAE仿真技术在能源电力行业的应用

安世亚太 2022-12-15


1. CAE技术在核电行业的应用


在核电设备的设计、性能劣化设备的评估、缓解技术的研究等诸多方面,核电设备结构力学始终扮演着重要的角色。从核安全的角度出发,对于下述物项和部件都要进行分析鉴定:土木结构、机械设备、管道、阀门、电气设备以及堆芯结构部件。


1.1. CAE技术在核电设备结构分析上的应用


  • 压力容器强度、刚度、疲劳;

  • 设备零部件强度、刚度、疲劳;

  • 热应力、流体压力下的强度设计;

  • 转子动力学,振动问题;

  • 建筑物设计与分析;

  • 设备的抗冲击分析。


1.2. CAE技术在核电设备热分析上的应用


  • 设备零部件热传递问题;

  • 流体对流换热、质量扩散;

  • 蒸汽发生器、稳压器等多相流问题、对流传热;

  • 主泵机组、汽轮机叶片、流道等设计与效率改进。

 

核聚变反应堆屏包模块CFD热分析

总单元数1980万,其中结构域1210万,流体域780万结构域计算条件:绝热外壁面 + 对称面 + 流固耦合交界面 + 非均匀中子热沉积体积发热功率;

流体域计算条件:压力入口 + 质量流量出口 + 流体对称面 + 非均匀中子热沉积体积发热功率;加载难点在于“非均匀中子热沉积体积发热功率”,采用了多项式拟合坐标插值法。


2. CAE技术在风电行业的应用


风力发电机是将风能转化为机械能并由机械能转化为电能的装置。风是空气流动,这种流动经过叶片时在叶片两侧产生压差,进而推动叶片转动;叶片转动通过轮毂传递给传动系统中的低速传动轴,并经齿轮箱加速传递给高速传动轴;高速传动轴与发电机连接,带动发电机发电。


风电行业的CAE应用范围极其广泛,主要关注的焦点包括


  • 风机叶片:复合材料强度、刚度、振动等问题;

  • 轮毂:结构强度、连接部件强度、疲劳;

  • 传动系统:主轴强度、刚度、齿轮箱体与增速设计;

  • 发电机:电机性能分析;

  • 底板与舱盖:强度、变形;控制系统:

  • 偏航系统、刹车系统的机构传动、电子控制;

  • 塔架:结构强度、屈曲、振动、基础设计。

 


3. CAE技术在水利水电行业的应用


CAE仿真技术能解决三维地址地形建模(DTM)与地质建模(DGM)、大坝选址、水工设计、土建施工、机电安装等一系列关键问题,在很大程度上提高计算精度和时间的要求,完成覆盖软件生命周期的全过程,达到减少设计周期、加深设计深度、提高设计质量、控制成本及提高企业革新等目的。有限元分析对于模拟诸如大坝、水电站蜗壳、渡槽、导管平台以及孔闸等建筑物的力学行为具有强大的优势,可以对这些结构的稳定性和防渗结构的应力状态进行分析计算,并且在计算中可以考虑水压力、淤砂压力、温度场、渗流场、重力场作用,可模拟砼裂缝的形态和发展过程。


3.1. 坝工结构的分析


  • 坝体截面优化设计

  • 坝体弹塑性应力分析计算

  • 坝体止水铜片的大变形分析

  • 坝体砼徐变计算

  • 混凝土开裂效应分析

  • 大坝稳态、瞬态温度场及温度应力计算

  • 大坝的模态及动力响应分析

  • 大坝的地震分析

  • 砼浇注、凝固过程仿真模拟(施工模拟)

  • 橡胶管坝充水超弹性大变形分析

  • 大坝基础应力分析

  • 非线性摩擦滑移计算


3.2. 水电站引水结构的分析


  • 钢筋砼引水管的结构计算

  • 铺设软垫层的钢衬钢筋砼引水管分析

  • 考虑垫层非线性的钢衬钢筋砼引水管分析

  • 考虑砼开裂

  • 考虑钢板-砼接触面摩擦、滑动的应力分析

  • 钢衬钢筋砼引水管的稳态、瞬态温度场及温度应力的计算

  • 钢衬结构抗外压稳定性计算

  • 背管结构的受力状态的分析


3.3. 水电站厂房结构的分析


  • 蜗壳-砼结构的三维联合受力分析

  • 有垫层的蜗壳-砼结构的受力分析

  • 厂房结构的应力分析

  • 厂房结构的模态及动力响应分析

  • 厂房结构的地震分析

  • 局部结构的受力分析(子模型技术)

  • 蜗壳-砼结构稳态、瞬态温度场及温度应力计算

  • 蜗壳、钢管等钢结构焊接过程中的变形和应力分析


4. CAE技术在火电行业的应用


火力发电是我国主要的发电方式,电站锅炉作为火力电站的三大主机设备之一,伴随着我国火电行业的发展而发展。当环保节能成为中国电力工业结构调整的重要方向时,火电行业也需要经历设备的更新换代来促进产业升级。


CAE技术在火力发电厂的三大主设备炉、机、电上都有较多的应用,特别是在提升能量转化效率、降低环境污染上。主要应用有:


1) 锅炉流体动力学分析

  • 煤粉炉内燃烧过程分析

  • 脱硫脱硝工艺分析

  • 煤粉、油、气的燃烧

  • 炉内流化过程模拟


2) 锅炉压力容器相关计算

  • 锅筒强度设计

  • 炉胆失稳分析

  • 锅炉关键部件的疲劳失效

  • 锅炉抗震性能计算

  • 锅炉关键部件的蠕变强度分析


3) 锅炉管道相关计算

  • 管道温度分布及热应力计算

  • 汽水管道、过热器疲劳强度计算

  • 汽水管道、过热器蠕变强度分析


4) 锅炉附件相关计算

  • 锅炉支架的强度计算

  • 密封垫片性能分析

  • 开孔平板强度分析


5. 其它


CAE技术在其它能源电力行业也有广泛的应用。例如采用CAE技术分析太阳能面板的强度、支架强度、螺栓强度,并对齐进行抗风设计、抗震设计。


在输电线上采用CAE技术来计算绝缘子的安全性等。

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