大型风机基础振动ANSYS动力分析

摘要：大型风机基础ANSYS建模、风机基础周边土体边界确定、土体本构模型、土体计算范围、大型风机基础设计建议

关键词：大型风机基础;振动;动力分析

电解烟气净化中排烟风机是电解铝生产过程中的关键设备，电解铝生产过程中产生的大量含氟、一氧化碳、二氧化硫、灰尘等有毒有害气体通过排烟风机产生负压，经过净化处理后排入大气。风机功率大，对X、Y、Z三方向位移要求高，如风机振动过大报警后会自动停转，因此合理的风机基础设计对于风机安全运行尤为重要。笔者就对某工程采用1400kw大型大型风机基础进行ansys模拟分析研究。

一、风机与基础主要参数：

电机功率：1400kw；主轴转速：995r/min;风量680000m3/h;压力5800p；风机重量38.4t;

基础最大长10.4m，基础最大宽度4.74m,基础底标高-1.5m;

二、基础ANSYS建模：

根据风机厂家提供相应尺寸采用SOLID65块单元模拟该块式实体基础，MASS21单元模拟风机电机质量的影响，BEAM188单元建立刚臂模拟电机、风机质心高度的影响；COMBIN14单元模拟土层的影响。SOLID65单元划分大小取0.25m。原基础共有5986个SOLID65实体单元，33个BEAM188梁单元，1278个COMBIN14弹簧单元与7个MASS21集中质量单元。基础的有限元模型如图1所示

图1风机基础有限元模型

三、考虑基础土体共同作用的动力分析：

动力计算是动力基础设计的重点。在进行动力机器基础设计之前，首先需要了解地基土的动力特性。目前国际上一直流行着两种观点：一种是以德国 DIN4024 规范为代表的所谓频率控制，即要求基础结构的自振频率避开机器的扰力频率，也就是一般所说的要避开共振；另一种观点是以苏联规范为代表，即以基础的振动幅值作为控制对象，要求限制基础的振幅在一定的许可值以下，这样即使产生共振也是容许的。本设计主要采用振动位移不超过厂家限值要求。

大型机器基础与地基动力相互作用示意图如图2所示

图2 大型机器基础与地基动力相互作用示意图

边界条件采用粘弹性人工边界

土体本构模型采用本文基于弹塑性增量理论的本构关系,选用基于 Drucker-Prager屈服准则的弹塑性本构模型

土体计算范围的确定：为实现有限元分析上的普遍性与统一性，需要对基底形状进行等效。采用等效圆形基础的等效半径的简化方法（以面积相等为等效条件），其等效半径r0的换算公式为：

矩形底面 ；（3-5）

如为狭长的矩形底面，则有

（3-6）

研究中该基础底面的最大长度为10.4 m，最大宽度为4.74 m。计算范围取底部边界为30 m，侧部边界取21m。文中假设地基土为均匀土层，密度为 2000kg/m3,泊松比为 0.3，弹性模量为156 MPa，土体剪切波速为 173 m/s，压缩波波速为324 m/s粘聚力为 2500Pa，内摩擦角为30o。根据GB50011-2001建筑抗震设计规范，一般情况，地基的软硬程度由剪切波速Vs确定，则土体剪切波速为 173 m/s时，代表较弱场地。

考虑土体共同作用有限元模型如图3所示

图3考虑土体共同作用有限元模型

经多次计算表明，在实际情况下，考虑计算宽度W=3b范围内的土体特性已经能能够满足工程要求。表一为基础动力特性、表二为地基承载力下基础各控制点位移响应幅值；

表一基础动力特性

（土体剪切波速173 m/s，压缩波速324 m/s）

模态 频率（Hz） 周期（s） 振型描述

1 1.559 0.641 基础土体竖向振动

2 1.623 0.616 基础土体沿Y轴（轴向）平动

3 1.704 0.587 基础土体沿Y轴135平动

4 2.251 0.444 基础土体沿Y轴45竖向摇摆

5 2.294 0.436 基础土体水平转动

6 2.313 0.423 基础土体沿Y轴135竖向摇摆

表二不同地基承载力下基础各控制点位移响应幅值（×10-4 m）

控制点 80 kPa 100 kPa 150 kPa 200 kPa 250 kPa 300kPa

自由端 X(水平) 9.678 9.164 8.846 7.869 7.035 6.739

Y(轴向) 7.467 7.116 6.651 6.223 5.829 5.430

Z(竖向) 9.788 8.710 7.377 6.891 7.292 7.407

止推端 X(水平) 9.678 9.164 8.486 7.869 7.305 6.739

Y(轴向) 6.493 6.092 5.785 5.495 5.222 4.939

Z(竖向) 2.982 3.170 3.097 3.174 3.529 3.819

电机端 X(水平) 9.678 9.164 8.486 7.869 7.305 6.739

Y(轴向) 6.302 5.892 5.568 5.313 5.071 4.818

Z(竖向) 2.943 3.014 2.984 2.758 3.214 3.400

四、大型风机基础设计结论：

该工程风机基础按上述计算设计施工后已平稳运行2年，证明以上计算在工程实际运用具有可行性：

1、重要的机器基础，在设计中应考虑以后有改变其固有频率的可能性，如增加基础质量、加大基础底面积，或加隔振器的可能性。

2、对于大型风机的块式动力基础，基础质量可取机组质量的5~10倍左右，加大质量在一定程度上可以减小大块式基础的振动

3、基础的总质心应力求与基础底面形心在同一垂直线上，机器的竖向扰力应力求同时通过基组的质心和基础的底面形心。

4、大块式基础的几何尺寸及埋置深度，应当根据机器底座尺寸、孔洞、地脚螺栓、动力荷载等的要求，并结合现场的地质资料，既要满足构造要求，又要满足动力和静力计算要求，应当根据有限元分析结果选取更为合理的基础几何尺寸及埋置深度

5、减小基础质量和加大基础底面积可提高基础的固有频率，加大基础质量和减小基础底面积以降低基础的固有频率。加大基础和地基土的接触面积可以加大“机器-基础-地基土”振动体系的阻尼比。