杨鼎宁：工程力学二十年.pdfVIP

工程力学二十年 杨鼎宁：工程力学二十年 二十年前的七月，海滨大连，收拾行囊，带着自己学得不甚了了的材料力学、理论力 学、结构力学、弹性力学、有限元一摞子书，踏进北上的列车，开始了自己一段二十年的 工程力学职业生涯。 国内CAE 的发展始于哈尔滨。1992 年哈尔滨大电机研究所装了十台 I-deas，计算转子 强度时发现，软件在处理叶片和转轮的配合问题时失灵，正确的叶片载荷导致错误的转轮 应力结果。接触区域计算值高出实际测量值 170%以上。究其原因，在于软件给定的GAP 单元“不好用”，当时哈电人才济济，一部分人鉴于 CAE 软件的内核不透明，主张退回到 手编《Fortran》程序，另有一部分北大清华元老认为有限元方法不可靠，应该一步到位退 回到解析。面对如此局面，为破解接触算法，树立 CAE 的信心，下了一番苦功。翻查User’s Guide、User’s Manual 都不解决问题，接下来，我们根据软件链接的算法查 GAP 元原始英 文文献，与用户手册一一对比，探索 GAP 元届定的空间关系、迭代顺序、主体算法和求解 脉络，并对典型问题以手工加载方式跟踪受迫节点组，一步步人工迭代，考察间隙—接触、 接触—间隙变化过程，每一步都探究到底，并实时与内核方程及前后台结果相联系。总计 调取十二种典型工程问题，从低阶到高阶，由一维到二维再到空间，点接触、线接触到平 面/ 曲面接触，综合考证，摸清接触单元的原理和内在规律。付诸运用时，采用对角顶置技 术，模型与求解器越位卡接，耦联叶片转轮动态接触与软件求解内核，顺畅仿真，取得立 竿见影的实效，与水电站现场采集的实测值完美对接。当时所作的《江口转轮报告》作为 《中日水电交流会》的首发技术成果，给国际电气同行很大震撼，成为中国破解水电技术 的标志性里程碑。通过转轮仿真，我们感悟，干CAE，远远不是一拓而就的事情，仅仅靠 读说明书肯定不够，需要发挥创造性，弄通内核原理。在解难题的时候，对软件加以必要 改造——软件许可二次开发，并将实际工程（过程）因素考虑进来，避开软件的盲区，才 能成功，因此，更深的功夫，在工作面以外。转轮、叶片接触问题解决了，我们又去解决 优化问题，动力学问题，都是遵循同样的路子，并在接下来的时间里顺利完成十三陵、莲 花、红石、五强溪、隔河岩、小浪底、万家寨等多部水轮机开发，援助华工完成水口转轮 （科技部863）任务。哈电后来也成为三峡项目的主力开发商，我参与了其中的前期工作， 进行推力轴承相关研究。 2006 年、2011 年分别解决核电领域两个飞轮，分别是出口巴基斯坦 300MW 及国产第 三代 1000MW。通过日本核事故可以看出，主泵是核电的心脏——不断推动冷却剂为核岛 反应堆降温，同时推送高温高压蒸汽入常规岛；而主泵的核心是电机（国内核主泵由沈阳 水泵厂承接，主泵电机由哈电来做），与普通电机不同，核主泵电机挂有储能飞轮。由两 大核电事故可以看出飞轮的关键性：1984 年苏联切尔诺贝利核电站为做飞轮试验而停堆关 机，由于飞轮失效而诱发事故；2011 日本福岛核灾难是因为老式电站（五十年代美国通用 技术）没有这种飞轮——飞轮安全技术萌生于上世纪七十年代。海啸发生后，由于缺乏飞 轮保障，核反应堆初始余热传不出去，链式反应的拉动，后果一发不可收拾。因此，核电 主泵飞轮是核电里安全等级要求（唯一）最高的构件。对它的要求有两方面，既实施储能 保护又能在转速过高情况下自行脱落，实现自我防护，防止高转速下自身炸裂，为此核电 飞轮采用三层结构（电机轴外内衬套，再套飞轮圆盘）、双层过盈，准确给出两个过盈量， 有效模拟多层配合（其中一层为倒锥面），及提速下依重力的逐级脱落成为核心问题，这 里涉及摩擦力、套装压力、离心力、重力等多重作用，其中套装压力涉及双层，是耦合 的，当时我采用自己开发的动态过盈理论解耦多层过盈，得出两层过盈值，之后，CAE 软 件对于多层配合的耦合作用的支持性成为求解的瓶颈，支持的情况下，两层过盈量的定义 方式是另一个问题，而且要求工作站一步步实时跟踪过盈配合——（逐级）重力松脱全过 1 工程力学二十年 程。总结软件在多过盈条件下的定义属性，精心安排，统一建模，分步调试，最终水到渠 成，飞轮仿真获得成功，与目标相比较，脱落转速的误差低于 0.