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

姚愛娟,王新兵,胥建文

（1.山東浩信集團(tuán)有限公司,山東 濰坊 261300;2.山東電力設(shè)備有限公司,濟(jì)南 250000）

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

姚愛娟1,王新兵2,胥建文2

（1.山東浩信集團(tuán)有限公司,山東 濰坊 261300;2.山東電力設(shè)備有限公司,濟(jì)南 250000）

為了保證油箱結(jié)構(gòu)密封性及長途運輸局限性，大件結(jié)構(gòu)整體機(jī)械強(qiáng)度尤為重要。通過有限元軟件ANSYS Workbench分析正壓試驗時整體的變形和應(yīng)力情況，提出最佳設(shè)計方案，并與出廠油箱機(jī)械強(qiáng)度試驗結(jié)果對比，檢驗結(jié)構(gòu)的合理性，同時驗證該軟件的可行性。該方法有效提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，控制成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。

油箱;ANSYS Workbench;機(jī)械強(qiáng)度;結(jié)構(gòu)設(shè)計

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行狀態(tài)，也可以滿足長途運輸?shù)男枨骩1]。隨著電壓等級和容量的增大，則油箱的設(shè)計要求也不盡相同，則外形尺寸變得越來越大。而在實際生產(chǎn)過程中，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，造成試驗及運輸過程中油箱開裂或過度變形，即箱壁等位置變形量超出試驗允許值，降低效益[2]。所以多年來油箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化被受重視，會避免結(jié)構(gòu)性能的不足，大大提高設(shè)計質(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，變壓器行業(yè)快速迅猛發(fā)展，其需求隨之大幅增加。設(shè)計者采用經(jīng)驗、類比設(shè)計的方法確定油箱結(jié)構(gòu)整體參數(shù)。按照GB1094.1-2013、GB/T6451-2008及JB/T501-2006對變壓器油箱機(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。而作者針對公司葡萄牙項目油箱重點討論，采用有限元分析計算軟件ANSYSWorkbench[6-8]來仿真分析變壓器油箱在正壓試驗下的各部位準(zhǔn)確的變形值及應(yīng)力分布狀態(tài)。最后，將試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比分析，為類似油箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考和技術(shù)支持，有效降低變壓器在生產(chǎn)、運輸及安裝環(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)分析計算在固定靜載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，計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)隨時間的變化非常緩慢。本文仿真分析和計算，均是按照油箱所受的載荷為靜載荷來處理。則結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)求解原理示意圖如下圖1所示。

圖1　結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)求解原理示意圖

3　有限元仿真計算

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)。建模過程中，采用專業(yè)CAD三維軟件Creo，然后導(dǎo)入Workbench的DesignModeler進(jìn)行修改和完善模型[9]。圖2為簡化處理改進(jìn)后的變壓器油箱計算模型。

圖2　變壓器油箱計算模型

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，在計算中采用塑性迭代處理，因此對于油箱應(yīng)力集中部位的應(yīng)力計算結(jié)果不準(zhǔn)確，也就是應(yīng)力畸點[10]。Q235鋼板材料屬性參數(shù)如下表1所示：

表1　材料屬性參數(shù)設(shè)置

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

表2　油箱基本組件厚度及整體尺寸（單位：mm）

圖3　ANSYS前處理中的有限元網(wǎng)格劃分

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Hexdominant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，節(jié)點數(shù)74萬，如圖3所示。

圖4　油箱正壓試驗時邊界約束和載荷條件示意圖

正壓試驗中，設(shè)置典型油箱內(nèi)壁所承受的壓強(qiáng)為0.1MPa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Vonmises等效應(yīng)力評估，在通用后處理選項中進(jìn)行結(jié)果查看和分析，直觀的發(fā)現(xiàn)油箱整體薄弱點，按照對強(qiáng)度薄弱和變形過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，盡可能降低成本。其中，按照國標(biāo)規(guī)定變壓器油箱機(jī)械強(qiáng)度試驗，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)后油箱正壓試驗時高壓側(cè)等效應(yīng)力和變形對比云圖如圖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)對比表，如表3所示。

從等效應(yīng)力對比云圖看出，原油箱結(jié)構(gòu)正壓試驗時，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，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。

圖6　油箱正壓試驗時彈性變形圖

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

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

油箱平穩(wěn)放置，連接好試驗管路和合適量程的壓力表或真空表；選擇測試點，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；將每個測試面拉細(xì)繩作為測試基準(zhǔn)線，真空強(qiáng)度試驗后，油箱恢復(fù)變形后的測量值為正壓試驗的初始值。當(dāng)達(dá)到規(guī)定的正壓試驗壓力和時間時，用鋼板尺測量基準(zhǔn)線到各測試點的距離，該數(shù)值與初始值之差為為測試點的彈性變形量。如果彈性變形在規(guī)定范圍內(nèi)，則油箱的機(jī)械強(qiáng)度試驗合格；如果超出規(guī)定，應(yīng)對油箱加固，重新進(jìn)行上述試驗。

改進(jìn)后油箱焊接檢驗合格、組裝完成后，按照以上技術(shù)要求和試驗方法進(jìn)行強(qiáng)度試驗，試驗前根據(jù)仿真計算結(jié)果分析油箱箱壁強(qiáng)度薄弱點為高壓側(cè)板式加強(qiáng)鐵間距880mm的部位，設(shè)置七處測試點，試驗過程中對其進(jìn)行密切關(guān)注。打正壓時，當(dāng)壓力值為100KPa左右時，油箱結(jié)構(gòu)沒有發(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，對油箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變形測量進(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，而加橫筋的兩個部位變形量較小，高壓側(cè)變形試驗測試結(jié)果如下圖7所示。

圖7　高壓側(cè)變形測量點試驗測試結(jié)果

4.2 結(jié)果對比

表4　油箱強(qiáng)度試驗變形仿真分析計算結(jié)果與實測值對比表

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

5　結(jié)論

本文中作者對一臺海外項目大件結(jié)構(gòu)件變壓器油箱的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了有限元仿真計算，并與實測結(jié)果進(jìn)行了對比。

（1）應(yīng)用有限元仿真計算方法檢驗變壓器油箱的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，仿真結(jié)果與試驗結(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，通過建立相應(yīng)的三維簡化模型進(jìn)行求解，進(jìn)行后處理，分析其在正壓試驗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算分析軟件之一。

（3）由于有限元計算的局限性，及多種因素的影響，結(jié)果很難匹配實際情況，但對于不同的制造企業(yè)、甚至同一企業(yè)下不同的產(chǎn)品種類，也存在著較大的理論和仿真計算偏差。因此需要更多的試驗數(shù)據(jù)去修正以保證軟件準(zhǔn)確性，用來進(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。

[1] 謝毓城.電力變壓器手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

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[10]楊文,石永久,王元清等.結(jié)構(gòu)鋼焊接殘余應(yīng)力三維有限元分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報,2007,37(02):347-352.

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

姚愛娟（1975-）,女,山東昌樂人,本科,工程師,主要從事機(jī)械設(shè)計、工裝設(shè)計、工藝設(shè)計研究工作。