基于ANSYSWorkbench的油箱整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

姚愛(ài)娟　王新兵　胥建文

摘 要：為了保證油箱結(jié)構(gòu)密封性及長(zhǎng)途運(yùn)輸局限性，大件結(jié)構(gòu)整體機(jī)械強(qiáng)度尤為重要。通過(guò)有限元軟件ANSYS Workbench分析正壓試驗(yàn)時(shí)整體的變形和應(yīng)力情況，提出最佳設(shè)計(jì)方案，并與出廠油箱機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的合理性，同時(shí)驗(yàn)證該軟件的可行性。該方法有效提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，控制成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：油箱；ANSYS Workbench；機(jī)械強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.077

1 引言

油箱是油浸電力變壓器的重要組成部分之一，作為內(nèi)、外部零件的載體，其結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)劣直接影響變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，也可以滿(mǎn)足長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)男枨骩1]。隨著電壓等級(jí)和容量的增大，則油箱的設(shè)計(jì)要求也不盡相同，則外形尺寸變得越來(lái)越大。而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于所用材料及工藝水平的差異，控制成本，存在著結(jié)構(gòu)性能不足，出現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域，造成試驗(yàn)及運(yùn)輸過(guò)程中油箱開(kāi)裂或過(guò)度變形，即箱壁等位置變形量超出試驗(yàn)允許值，降低效益[2]。所以多年來(lái)油箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化被受重視，會(huì)避免結(jié)構(gòu)性能的不足，大大提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和產(chǎn)品成本，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

上世紀(jì)90 年代以來(lái)，變壓器行業(yè)快速迅猛發(fā)展，其需求隨之大幅增加。設(shè)計(jì)者采用經(jīng)驗(yàn)、類(lèi)比設(shè)計(jì)的方法確定油箱結(jié)構(gòu)整體參數(shù)。按照GB 1094.1-2013、GB/T 6451-2008及JB/T 501-2006對(duì)變壓器油箱機(jī)械強(qiáng)度的要求[3-5]，油箱不得有損傷和不允許的永久變形，保證嚴(yán)格的密封性。而作者針對(duì)公司葡萄牙項(xiàng)目油箱重點(diǎn)討論，采用有限元分析計(jì)算軟件ANSYSWorkbench[6-8]來(lái)仿真分析變壓器油箱在正壓試驗(yàn)下的各部位準(zhǔn)確的變形值及應(yīng)力分布狀態(tài)。最后，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比分析，為類(lèi)似油箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考和技術(shù)支持，有效降低變壓器在生產(chǎn)、運(yùn)輸及安裝環(huán)節(jié)中的成本，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)效益。

2 結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)原理

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析計(jì)算在固定靜載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，計(jì)算由那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定，即假定載荷和結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨時(shí)間的變化非常緩慢。本文仿真分析和計(jì)算，均是按照油箱所受的載荷為靜載荷來(lái)處理。則結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)求解原理示意圖如下圖1所示。

3 有限元仿真計(jì)算

3.1 建立油箱模型

油箱通常分為殼式、桶式和鐘罩式油箱，而為了保證油箱滿(mǎn)足機(jī)械強(qiáng)度要求，為此在油箱箱壁焊有各種形式的加強(qiáng)鐵，一般分為板式（扁鋼）、槽式（槽鋼）及T型鋼結(jié)構(gòu)，而板式結(jié)構(gòu)加強(qiáng)鐵較其他結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較差，易產(chǎn)生大變形及應(yīng)力集中。根據(jù)業(yè)主要求及成本控制，該油箱為盒式箱底、板式加強(qiáng)鐵、桶式結(jié)構(gòu)。建模過(guò)程中，采用專(zhuān)業(yè)CAD三維軟件Creo，然后導(dǎo)入Workbench的Design Modeler進(jìn)行修改和完善模型[9]。圖2為簡(jiǎn)化處理改進(jìn)后的變壓器油箱計(jì)算模型。

3.2 設(shè)置材料屬性和組件厚度

油箱箱壁、加強(qiáng)鐵等材料為Q235鋼板，為彈塑性材料，設(shè)置材料雙線性等向強(qiáng)化應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，其應(yīng)力應(yīng)變?yōu)槎嗾劬€關(guān)系，在計(jì)算中采用塑性迭代處理，因此對(duì)于油箱應(yīng)力集中部位的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，也就是應(yīng)力畸點(diǎn)[10]。Q235鋼板材料屬性參數(shù)如下表1所示：

根據(jù)公司生產(chǎn)實(shí)際、產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求及相關(guān)手冊(cè)確定各組件厚度及油箱整體基本尺寸，如下表2所示：

3.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定

利用軟件自帶網(wǎng)格劃分工具，綜合用Multizone和Hex dominant等方法劃分網(wǎng)格，盡可能劃分成六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格單元數(shù)26萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)74萬(wàn)，如圖3所示。

正壓試驗(yàn)中，設(shè)置典型油箱內(nèi)壁所承受的壓強(qiáng)為0.1 MPa為載荷條件，選取油箱內(nèi)部進(jìn)行面載荷加載，注意加載過(guò)程中的方向均為指向油箱外部。上、下節(jié)油箱必須密封良好，油箱平置，邊界約束設(shè)置下節(jié)油箱箱底為固定位移約束。圖4為邊界約束和載荷條件示意圖。

3.4 求解和后處理

采用非線性大應(yīng)變求解設(shè)置，應(yīng)力采用Von mises等效應(yīng)力評(píng)估，在通用后處理選項(xiàng)中進(jìn)行結(jié)果查看和分析，直觀的發(fā)現(xiàn)油箱整體薄弱點(diǎn)，按照對(duì)強(qiáng)度薄弱和變形過(guò)大部位幾方面的分析，唯一能夠改進(jìn)的是板式加強(qiáng)鐵的加強(qiáng)方式。于是對(duì)此采取相應(yīng)改進(jìn)優(yōu)化措施，將原油箱結(jié)構(gòu)最大變形處（高低壓側(cè)中心，即板式加強(qiáng)鐵間距880mm處）中間加橫筋，在保證油箱整體強(qiáng)度的同時(shí)，盡可能降低成本。其中，按照國(guó)標(biāo)規(guī)定變壓器油箱機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)，油箱箱壁不得有損傷和超限的彈性變形，則最大彈性變形要小于2倍的壁厚。則原結(jié)構(gòu)和改進(jìn)后油箱正壓試驗(yàn)時(shí)高壓側(cè)等效應(yīng)力和變形對(duì)比云圖如圖5和圖6所示。

綜合等效應(yīng)力云圖和彈性變形云圖，得到兩種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對(duì)比表，如表3所示。

從等效應(yīng)力對(duì)比云圖看出，原油箱結(jié)構(gòu)正壓試驗(yàn)時(shí)，油箱應(yīng)力集中區(qū)域較大，出現(xiàn)在高低壓側(cè)中心處，且油箱整體最大等效應(yīng)力大于塑弾性材料的屈服極限，改進(jìn)后油箱除了部分應(yīng)力畸點(diǎn)，整體受力均勻，未出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中部位，相同部位處等效應(yīng)力值小于原結(jié)構(gòu)，且遠(yuǎn)小于材料的許用范圍，結(jié)果大大改善。

從彈性變形云圖可以看出，最大變形出現(xiàn)在高低壓側(cè)中心處，區(qū)域較大，且變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈性變形的許用值。利用板式加強(qiáng)鐵隔斷最大變形區(qū)域，改進(jìn)后油箱整體變形明顯減小，并未出現(xiàn)大面積變形大的區(qū)域，最大變形量小于彈性變形的許用值。綜上所述，改進(jìn)后的油箱整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度良好。

4 結(jié)果分析

4.1 油箱機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)

油箱機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)包括抽真空強(qiáng)度和正壓機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)，一般在不裝器身的單獨(dú)油箱上進(jìn)行，而對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)的油箱，可以在總裝車(chē)間帶器身進(jìn)行。該油箱在保證無(wú)焊接與密封缺陷的條件下，對(duì)單獨(dú)油箱進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)。

油箱平穩(wěn)放置，連接好試驗(yàn)管路和合適量程的壓力表或真空表；選擇測(cè)試點(diǎn)，一般設(shè)置在強(qiáng)度比較薄弱、變形量比較大的位置，具體數(shù)量根據(jù)油箱結(jié)構(gòu)、大小及加強(qiáng)鐵數(shù)量決定；將每個(gè)測(cè)試面拉細(xì)繩作為測(cè)試基準(zhǔn)線，真空強(qiáng)度試驗(yàn)后，油箱恢復(fù)變形后的測(cè)量值為正壓試驗(yàn)的初始值。當(dāng)達(dá)到規(guī)定的正壓試驗(yàn)壓力和時(shí)間時(shí)，用鋼板尺測(cè)量基準(zhǔn)線到各測(cè)試點(diǎn)的距離，該數(shù)值與初始值之差為為測(cè)試點(diǎn)的彈性變形量。如果彈性變形在規(guī)定范圍內(nèi)，則油箱的機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)合格；如果超出規(guī)定，應(yīng)對(duì)油箱加固，重新進(jìn)行上述試驗(yàn)。

改進(jìn)后油箱焊接檢驗(yàn)合格、組裝完成后，按照以上技術(shù)要求和試驗(yàn)方法進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)前根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果分析油箱箱壁強(qiáng)度薄弱點(diǎn)為高壓側(cè)板式加強(qiáng)鐵間距880mm的部位，設(shè)置七處測(cè)試點(diǎn)，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行密切關(guān)注。打正壓時(shí)，當(dāng)壓力值為100KPa左右時(shí)，油箱結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯彎曲變形和異響聲音，解除壓力后，停止強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)油箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變形測(cè)量進(jìn)行分析，最大變形處出現(xiàn)在高壓側(cè)最左端板式加強(qiáng)鐵間距880mm的中間部位，而加橫筋的兩個(gè)部位變形量較小，高壓側(cè)變形試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如下圖7所示。

4.2 結(jié)果對(duì)比

注：強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)中，壁厚10mm，位移標(biāo)準(zhǔn)20mm，即為最大彈性變形允許值。

表4 給出了正壓試驗(yàn)時(shí)油箱變形仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)量值，可以看出在分析正壓條件下油箱機(jī)械強(qiáng)度的過(guò)程中，應(yīng)用有限元仿真計(jì)算加載理想載荷時(shí)得到的變形略大于正壓試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，考慮了改進(jìn)油箱的實(shí)際尺寸和局限性，其仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較相近，存在較小偏差，并且最大變形區(qū)域也相同，滿(mǎn)足工程要求。應(yīng)用有限元仿真分析檢驗(yàn)油箱機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)下的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)也說(shuō)明公司在大件結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

5 結(jié)論

本文中作者對(duì)一臺(tái)海外項(xiàng)目大件結(jié)構(gòu)件變壓器油箱的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了有限元仿真計(jì)算，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

（1）應(yīng)用有限元仿真計(jì)算方法檢驗(yàn)變壓器油箱的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符合，具有可行性與準(zhǔn)確性。

（2）有限元分析可以在大件結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造之前，通過(guò)建立相應(yīng)的三維簡(jiǎn)化模型進(jìn)行求解，進(jìn)行后處理，分析其在正壓試驗(yàn)條件下的總變形量和最大等效應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)其中的設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)缺陷，避免不必要的成本損失和控制工期，成為許多大型設(shè)備制造廠商不可或缺的計(jì)算分析軟件之一。

（3）由于有限元計(jì)算的局限性，及多種因素的影響，結(jié)果很難匹配實(shí)際情況，但對(duì)于不同的制造企業(yè)、甚至同一企業(yè)下不同的產(chǎn)品種類(lèi)，也存在著較大的理論和仿真計(jì)算偏差。因此需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)去修正以保證軟件準(zhǔn)確性，用來(lái)進(jìn)行變壓器油箱機(jī)械強(qiáng)度分析，指導(dǎo)油箱整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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作者簡(jiǎn)介：姚愛(ài)娟（1975-），女，山東昌樂(lè)人，本科，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)研究工作。