中国正在建设和将要建设一批巨型水电站工程，如三峡、龙滩、小湾、拉西瓦、溪洛渡等，单机容量均为700MW级，压力管道和蜗壳等引水系统的尺寸巨大，HD(设计水头与钢蜗壳进口管径之积)值高。例如，三峡水轮机蜗壳平面最大宽度为34.325m，水轮机钢蜗壳进口直径达12.4m、进口断面设计内水压力为1.395MPa(含水锤压力)，HD值将达到1730m²，是世界上混流式水轮机尺寸最大的蜗壳。目前，国内外大中型中高水头机组厂房蜗壳埋设方式主要采取三种方案：(1)在钢蜗壳外上部一定范围内铺设软垫层后浇筑外围混凝土，简称垫层方案；(2)钢蜗壳在充水并保持一定的压力水头下浇筑外围混凝土，简称保压方案；(3)钢蜗壳外直接浇筑混凝土，蜗壳与外围混凝土完全联合承载，简称直埋方案。这三种蜗壳埋设方式各有特点，在国内外均有不少成功应用的实例。对于HD值特别高的蜗壳结构，国外采用保压方案(如伊泰普水电站和大古力水电站等)和直埋方案(如前苏联的萨扬舒申斯克水电站等)的相对较多，国内多采用垫层方案，单机容量最大的为李家峡水电站。以后更大的工程，如二滩、三峡左岸电站、小湾以及所有大型抽水蓄能电站，均采用了保压方案，对此已有较多的研究。广义的水轮机流道结构包括从厂坝间伸缩节或止推环以后的蜗壳进口段、蜗壳、座环和座环立柱等组成的引水与导水系统。流道结构除承受巨大的内压水头外，还与外围钢筋混凝土结构共同组成机组的下部支撑体系，承受径向不平衡力和竖向荷载，同时还承受较大的切向水力不平衡推力。因此，如何保证流道结构的刚度和强度安全，实现结构优化设计，对于保证机组的安全稳定运行具有重要意义，成为巨型工程迫切需要研究解决的课题之一。
      蜗壳是不完全轴对称的、内侧开口的半封闭蜗形结构，内水压力的合力不为零，在进口段会产生一个较大的轴向水推力，相对于机组中心竖轴则是一个较大的扭矩。在其作用下，蜗壳可能产生扭转变形，从而影响到机组的运行稳定和结构安全。不同的蜗壳埋设方式以及是否设置伸缩节与止推环，由于蜗壳与外围混凝土的接触约束条件不同，变形特性也会产生差异。国内过去对垫层蜗壳做过大量的研究，但对于巨型工程近年来的研究相对较少，直埋方案的研究相对更少。本文试图利用全三维数值模拟有限元分析方法，以某巨型工程为计算实例，重点探讨采用不同埋设方式，是否设置伸缩节与止推环，对巨型蜗壳的受力特征和变形特性的影响规律，为巨型蜗壳埋设方式的优化选择提供参考。
      对于结构体型和组成异常复杂的蜗壳结构，有限元法数值模拟成为首选的分析工具。当采用垫层蜗壳方案时，钢板外围一部分与垫层接触，一部分与混凝土接触，并由于材料间存在着摩擦特性，会造成一定的滑移和切向、径向传力的不均匀。因此，采用摩擦接触问题进行模拟是必要的。
      由于浇注时的冷缝和钢板没有加劲环等锚固件的存在，蜗壳钢板与外围混凝土之间的结合形式，不属于固定连接或铰接，而应属于面-面接触问题。这类问题的特点是具有单边约束和未知接触区域，接触区域的确定依赖于加载方式、荷载水平、接触面性质等因素，属于边界待定非线性问题。鉴于蜗壳的受力特点，其面接触主要是法向压力接触和切向摩擦接触，可以构建三维接触单元进行模拟。其求解方法主要包括直接迭代法和接触约束算法(拉格朗日乘子法、罚函数法以及扩展的拉格朗日法)。
      本文以ANSYS大型结构分析软件作为平台。ANSYS支持三种接触方式：点-点、点-面、面-面的接触，每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。本文采用面-面接触单元，其具有如下优点：与低阶和高阶单元都兼容；支持有大滑动和有摩擦的大变形，协调刚度阵计算，单元提供不对称刚度阵的选择；提供工程适用的更好的接触结果，易于进行接触压力和摩擦应力的后处理；能考虑壳和梁的厚度及壳厚度的改变；半自动接触刚度计算。计算中采用ANSYS的四结点四边形单元target170模拟“目标面”，四结点四边形单元contact173模拟“接触面”，采用扩展的拉格朗日乘子法进行接触问题的求解。

                                                                                专业从事有限元分析公司│有限元分析│CAE分析│FEA分析│技术服务与解决方案
                                                                                                                                                      杭州那泰科技有限公司
                                                                              本文出自杭州那泰科技有限公司www.nataid.com，转载请注明出处和相关链接！