模塊化預(yù)制艙設(shè)計與研究

竇輝　殷帥兵　王哲　李承光

【摘 要】本文提出了模塊化預(yù)制艙的概念，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹。提出了模塊化預(yù)制艙的設(shè)計方法，并按照設(shè)計方法對模塊化預(yù)制艙進(jìn)行了設(shè)計。對模塊化預(yù)制艙模型進(jìn)行了簡化，基于ANSYS Workbench仿真分析軟件對簡化模型進(jìn)行了吊裝工況和12級風(fēng)工況下的仿真分析。分析結(jié)果表明，模塊化預(yù)制艙在吊裝工況和抗擊12級風(fēng)工況下的應(yīng)力在允許范圍內(nèi)，并且整體變形較小，不會發(fā)生屈服破壞。最后對模塊化預(yù)制艙實物進(jìn)行吊裝、側(cè)傾和公路運輸工況的試驗。試驗結(jié)果表明，按照上述設(shè)計方法得到的模塊化預(yù)制艙整體強度和剛度較好、性能可靠，可以滿足使用要求，從而驗證了本文中設(shè)計方法的科學(xué)性和有效性。

【關(guān)鍵詞】模塊化預(yù)制艙;設(shè)計方法;ANSYS Workbench;仿真分析

中圖分類號： TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）22-0001-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.001

0 前言

隨著國家經(jīng)濟水平的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在加快進(jìn)行。作為基礎(chǔ)建設(shè)中不可或缺的一項配套設(shè)施，變電站的建設(shè)需求量也在逐步加大[1-2]。新一代預(yù)裝式二次設(shè)備集成艙體（預(yù)制艙）逐步、穩(wěn)固的在智能變電站中推進(jìn)，使智能變電站的集成化程度高、占地面積小、工廠預(yù)制化程度高等優(yōu)點已經(jīng)凸顯。不論是高壓輸電項目、高鐵城軌建設(shè)項目、城市配套大型污水處理項目，還是大型清潔能源儲能項目等都要建設(shè)變電站或者儲能站，預(yù)制艙的需求量更是日漸增多。傳統(tǒng)的預(yù)制艙結(jié)構(gòu)形式主要是主框架焊接結(jié)構(gòu)，只能在主框架全部焊接完成之后進(jìn)行噴涂或噴漆，再逐步進(jìn)行其他非承重部分的安裝，這樣預(yù)制艙加工周期較長，不利于進(jìn)行大批量快速生產(chǎn)。預(yù)制艙作為新一代智能變電站的重要設(shè)備之一，其生產(chǎn)過程仍未能實現(xiàn)模塊化設(shè)計與制造，不能實現(xiàn)工廠標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制和變電站現(xiàn)場施工模塊化裝配，導(dǎo)致二次預(yù)制艙艙體設(shè)計的通用化程度較低。因此，研究戶外設(shè)備的功能和性能需求，結(jié)合新一代預(yù)制艙的優(yōu)點，研制新型標(biāo)準(zhǔn)模塊化快速裝配式預(yù)制艙，使其具有更加安全、高效、方便、可靠的標(biāo)準(zhǔn)化快速裝配性能，從而使預(yù)制艙適應(yīng)新一代變電站的智能化、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的需求迫在眉睫。

王勇奎等對預(yù)制艙的最優(yōu)起吊位置進(jìn)行了研究，得到了一般情況下預(yù)制艙最優(yōu)起吊位置的計算方法，使得底座彎曲剛度最大，并通過仿真分析進(jìn)行了驗證[3]。王大慶對110kv預(yù)制艙式變電站進(jìn)行設(shè)計，并對預(yù)制艙與一次部分的土建設(shè)計進(jìn)行闡述[4]。郭勝軍等針對智能變電站二次設(shè)備預(yù)制艙底座高度小于300mm的要求，設(shè)計了H型鋼與槽鋼焊接組合的新型底座結(jié)構(gòu)方案，并驗證了新型底座方案的安全性與可靠性，降低了底座重量和加工成本，提高了底座的整體剛度[5]。劉志偉等介紹了預(yù)制艙面臨的環(huán)境因素，及其設(shè)計中應(yīng)注意的問題[6]。但以上這些研究都沒有對傳統(tǒng)預(yù)制艙的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，也就沒有解決縮短預(yù)制艙加工周期的作用。本文所介紹的模塊化預(yù)制艙將整個預(yù)制艙分成若干個模塊，實現(xiàn)了各個模塊的標(biāo)準(zhǔn)化，整艙加工只需要將各個預(yù)生產(chǎn)出來的模塊按照一定的工藝流程組裝起來即可，有利于流水線生產(chǎn)，分模塊作業(yè)，能夠有效縮短預(yù)制艙生產(chǎn)周期，實現(xiàn)多種零部件的標(biāo)準(zhǔn)化從而降低成本。

1 模塊化預(yù)制艙設(shè)計

1.1 模塊化預(yù)制艙介紹

模塊化預(yù)制艙長12.2m、寬2.8m、高3.2m，主要分為底座模塊、圍框模塊、頂蓋模塊以及安裝附件，其模型示意圖如圖1所示。為了保證吊裝、承重等工況下艙體有足夠的機械強度，底座采用整體焊接的形式整體作為一個模塊，如圖2所示。圍框模塊和頂蓋模塊為金屬焊接框架填充聚氨酯復(fù)合板的形式，共有十個圍框模塊和四個頂蓋模塊，如圖3和圖4所示。各個相鄰的模塊之間通過緊固件進(jìn)行組裝連接，這樣有利于實現(xiàn)流水線生產(chǎn)，縮短加工周期、提高產(chǎn)量。

經(jīng)過計算，圍框總重量為3604Kg，其中兩側(cè)圍框的總重量共為2722Kg;兩個端部圍框的重量共為882Kg;頂蓋每個模塊的重量為452Kg，頂蓋的總重量為452*4=1808Kg。

1.2 設(shè)計計算

模塊化預(yù)制艙的特殊性設(shè)計主要體現(xiàn)在各個模塊的連接點設(shè)計以及螺栓數(shù)量的計算上。對于預(yù)制艙的各種工況來說，運輸轉(zhuǎn)彎工況和受到12級風(fēng)力作用的情況下螺栓受力最大，并且圍框和底座之間連接的螺栓的受力情況相對來說最為嚴(yán)重，因此選擇這兩種極端情況對圍框和底座之間所需要的螺栓個數(shù)進(jìn)行計算。預(yù)制艙圍框與底座之間的連接方式如圖5所示，圖中A點和B點為螺栓連接點，通過若干個連接點的螺栓連接，實現(xiàn)底座與圍框之間的固定。

1.2.3 螺栓個數(shù)總結(jié)

根據(jù)1.2.1和1.2.2節(jié)的計算結(jié)果，圍框和底座之間最少需要螺栓數(shù)量最多為120個。實際情況由于有端部圍框的支撐作用，以及頂蓋安裝之后所起到的連接作用，艙體整體的強度很好，因此這個數(shù)量的螺栓能滿足需求。

本設(shè)計中，圍框和底座之間最終共采用了130個螺栓，大于理論計算的120個螺栓的數(shù)量，使整艙的抵抗變形和破壞的能力更強。

2 仿真分析

對模塊化預(yù)制艙模型進(jìn)行簡化處理，運用有限元分析軟件ANSYS Workbench 對簡化的模塊化預(yù)制艙模型在吊裝和12級風(fēng)載兩種工況下進(jìn)行仿真分析[7-8]，分析結(jié)果如下。

2.1 吊裝工況

預(yù)制艙采用四點吊裝的吊裝形式，吊裝示意圖如圖9所示。

通過對簡化模型施加預(yù)制艙各部分等效的重量，并對四個吊點施加固定約束，進(jìn)行仿真計算得到模型的應(yīng)力云圖和變形云圖分別如圖10和圖11所示。

艙體骨架材料為Q235，其屈服強度為235MPa，這里取安全系數(shù)為ns=1.8，得到許用應(yīng)力σ=σs/ns=235/1.8=130.6Mpa。從圖10可以看出，艙體的最大應(yīng)力為213.32MPa，當(dāng)把圖中紅色區(qū)域的最小值調(diào)整到80MPa時，應(yīng)力云圖中仍是大片的藍(lán)色，沒用明顯的紅色區(qū)域出現(xiàn)，說明213.32MPa的最大應(yīng)力是由于應(yīng)力集中造成的，艙體整體的應(yīng)力在80MPa以下，小于許用應(yīng)力130.6MPa，滿足要求。從圖11可以看出，艙體的最大變形量1.2279mm，最大變形位置發(fā)生在頂蓋中間段，變形較小。

2.2 抗風(fēng)工況

以12級風(fēng)為抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)2.2節(jié)中的風(fēng)力計算得到預(yù)制艙受到的風(fēng)力大小為29335N。對預(yù)制艙簡化模型進(jìn)行12級風(fēng)下的仿真分析計算，得到抗風(fēng)工況下的變形云圖和應(yīng)力云圖如圖10和圖11所示。

從圖12可以看出，艙體的最大變形量1.4219mm，由于1.4219mm遠(yuǎn)小于30mm，說明艙體變形量很小，滿足使用要求。從圖13可以看出，艙體的最大應(yīng)力為198.87MPa，當(dāng)把圖中紅色區(qū)域的最小值調(diào)整到80MPa時，應(yīng)力云圖中仍是出現(xiàn)大片的藍(lán)色，沒用明顯的紅色區(qū)域出現(xiàn)，說明198.87MPa的最大應(yīng)力是由于應(yīng)力集中造成的，艙體整體的應(yīng)力小于80MPa，小于結(jié)構(gòu)鋼的屈服極限235MPa，滿足要求。

從圖12可以看出，艙體的最大應(yīng)力為198.87MPa，當(dāng)把圖中紅色區(qū)域的最小值調(diào)整到80MPa時，應(yīng)力云圖中仍是大片的藍(lán)色，沒用明顯的紅色區(qū)域出現(xiàn)，說明198.87MPa的最大應(yīng)力是由于應(yīng)力集中造成的，艙體整體的應(yīng)力在80MPa以下，小于許用應(yīng)力130.6MPa，滿足要求。從圖13可以看出，艙體的最大變形量1.4219mm，變形較小。

3 實驗驗證

通過對各個模塊進(jìn)行連接安裝，并對整艙進(jìn)行裝修布置得到了模塊化預(yù)制艙的樣機如圖12所示。目前已經(jīng)對樣機進(jìn)行了吊裝、側(cè)傾和汽車運輸工況的試驗，試驗過程中艙體并沒有出現(xiàn)明顯的變形和扭曲現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明，按照上述設(shè)計方法得到的模塊化預(yù)制艙整體強度和剛度較好、性能可靠，可以滿足使用要求。從而驗證了本文中設(shè)計方法的科學(xué)性和有效性。

4 結(jié)論

（1）在原有整體焊接框架預(yù)制艙的基礎(chǔ)上，提出了模塊化預(yù)制艙的全新概念;針對一款模塊化預(yù)制艙進(jìn)行了圍框與底座間所需螺栓數(shù)量的計算，保證其強度和剛度的可靠性，從而對模塊化預(yù)制艙進(jìn)行了設(shè)計。

（2）基于ANSYS Workbench仿真分析軟件對模塊化預(yù)制艙簡化模型在吊裝工況和12級風(fēng)工況下進(jìn)行分析計算。得到結(jié)論：根據(jù)本文中的方法設(shè)計出的模塊化預(yù)制艙在吊裝工況和抗擊12級風(fēng)工況下整體變形和應(yīng)力較小，沒有明顯的應(yīng)力過大區(qū)域出現(xiàn)，不會發(fā)生屈服破壞，預(yù)制艙滿足要求。

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