某变压器柜体静强度计算分析

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

某变压器柜体静强度计算分析
发布时间:2023-03-01T05:28:19.808Z 来源:《科技新时代》2022年第19期作者:张可飞孟昭明
[导读] 采用ANSYS Workbench软件对某变压器柜体进行有限元模型建立,基于有限元法对柜体进行静强度分析,得张可飞孟昭明
中车大连电力牵引研发中心有限公司,辽宁大连116022)
摘要采用ANSYS Workbench软件对某变压器柜体进行有限元模型建立,基于有限元法对柜体进行静强度分析,得到柜体的变形及应力分布,对其结构设计及进一步优化提供建议和参考依据。

关键词:变压器柜有限元法静强度分析
前言
某变压器柜体是通过螺栓连接吊挂在地铁车辆底架横梁上,是车下悬挂设备的重要组成部分,柜体内装有大量的电器部件,而柜体是承载电器部件的基础结构,能够确保正常工作,由于车辆在运行中,柜体结构承受复杂的载荷作用。

为提高效率,快速验证其结构方案的可行性,在产品设计阶段就运用仿真手段进行静强度计算,对结构方案设计具有一定的指导意义。

1.柜体结构静强度分析方法
变压器柜体由槽钢结构材料焊接而成,使用过程中受温度变化和腐蚀环境的影响很小,其破坏主要是由列车运行时产生的动载荷引起的。

为验证柜体结构方案是否满足EN61373[1]标准规定的强度要求,采用有限元方法进行静强度仿真计算分析。

有限元静强度分析可为结构提供仿真数据,能直观的分析柜体结构在各种工况下的最大位移值和应力值,以参照许用标准校核结构是否满足设计要求。

由于现代化铁路行业的大发展,轻量化、体积小和高性能也是优化设计阶段的重要环节,在满足刚度和强度的条件下,适当调整结构尺寸和改善材料性能不仅使结构的位移变形和应力得到合理优化,而且也节省材料和降低成本,以便达到减轻重量和改进结构整体布局。

第四强度理论认为,单元体的均方根剪应力是引起材料屈服破坏的主要因素。

变压器柜体主要采用碳钢材料,根据强度要求和材料的特性可以选择最大剪应力、最大拉应力或综合应力作为强度校核基准,材料的失效以材料发生塑性变形为标志,因此可以根据第四强度理论对结构强度进行校核,选择VON Mises应力来判断结构强度[2]。

静强度分析的基本步骤如下:
(1)创建有限元模型:创建或输入几何模型、划分网格、定义材料属性等。

建模是有静强度分析中最关键、最耗时的一步。

(2)施加载荷并求解:施加载荷、设定约束条件、求解。

(3)查看结果:查看分析结果,检查结果。

2.模型建立
变压器柜主体结构由槽钢结构组焊而成,变压器、电抗器、电容器等通过螺栓连接在柜体安装孔处。

柜体材料为Q345B。

图1是某变流器结构示意图,装有1个重760kg的变压器、1个重170kg的电抗器、1个重150kg的电抗器和一个重25kg的电力电容器。

变压器柜三维模型原文件是由ProE软件建立的,ANSYS Workbench软件作为专业的有限元分析软件,具有强大的网格划分、加载求解和后处理功能以及良好的开放性。

如果用ANSYS Workbench建模方法建立变压器柜体的装配模型,将是一个极其繁琐的过程,常常会占据整个分析过程的70%以上,这使得分析人员不能把主要精力放在产品的分析和优化上,大大浪费了分析人员的时间,也不能很好的利用设计人员已有的模型。

本次分析利用设计人员已有模型,通过ProE软件导出stp文件格式,再用ANSYS Workbench自带的前处理处理模块SpaceClaim Direct Modeler,将stp文件导入并进行简化处理。

有限元模型建立的好坏是直接关系到计算结果是否合理和正确的重要问题。

根据其结构特点及受力状态,应按空间问题解决。

该变压器柜体结构不完全对称,故取整体结构建立有限元力学模型,其中柜体内各吊挂安装电器元件以质量元的形式考虑,去掉其他对整体结构影响较小的部件(如盖板等),零件中的倒角、小孔等特征和组件中的某些不影响柜体结构强度的零件(如扎线杆、安装支座等)删掉,进一步简化模型。

有限元模型构成以任意四节点等参薄壳单元为主,与板单元相比,壳单元由于综合考虑了结构单元中间面上的平面刚度、弯曲刚度及曲率效应,具有更高的计算精度。

采用shell63壳单元对柜体进行单元离散,电器元件质量以单元mass21进行质量模拟。

Mass21和shell63都有6个自由度,3个位移(UX,UY,UZ)及3个转角(ROTX,ROTY,ROTZ)可以模拟柜体及电器元件的重力和惯性力。

简化后的有限元力学模型见图2。

共划分节点262126个,网格45388个。

3.静强度分析
3.1材料性能
柜体骨架和安装梁等材料采用Q345B,按?机械设计手册?[3]取材料许用应力为345MPa,焊缝许用应力314MPa。

弹性模量2x105MPa,密度为7.9x10-9t/mm-3。

3.2计算工况
变压器柜体的计算载荷按照标准EN 61373要求施加,以考核柜体以及附属设备在惯性力载荷作用下的应力水平。

计算载荷工况分为以下4种(经计算,横向-3g和+3g,纵向-5g和5g的效果基本一样,这里只显示一种方向上的计算及结果。

M为柜体质量,g为重力加速度)。

计算工况一:自重+垂向惯性力(+3mg);
计算工况二:自重+垂向惯性力(-3mg);
计算工况三:自重+横向惯性力(+3mg);
计算工况四:自重+纵向惯性力(+5mg)3.3载荷和约束的处理
变压器柜体所承受的载荷包括自重、集中载荷、均布载荷。

柜体的自重计算是通过定义模型的材料密度和重力加速度实现的。

在处理安装部件(如变压器、电抗器、电容器等)所表现出来的载荷形式时,常常遇到很大的困难,这是因为这些部件一方面通过螺栓连接在安装板上,另一方面这些部件搁置在支撑的横梁上,属于复杂的接触分析问题。

工程上常常采用将安装部件以质量单元的形式布置在对应的重心位置,通过一定的弹簧单元连接至安装位置。

这种方法人为造成了局部的应力集中,对于几公斤和十几公斤的部件而言,问题不大,但对于150kg的电抗器或更大质量的组合单元,局部最大应力值会超出材料许用应力的数倍,会得出错误的分析结论。

在分析时简化为同等质量和重心位置相同的实体模型,其计算结果更为合理。

吊耳面与车体底架横梁是通过10个螺栓安装孔固定纵向、横向、垂向不能有相对位移,视为完全约束,所以约束联接部位的螺栓孔为全部6个自由度。

3.4计算结果分析
计算结果如表1所示,可得各工况下的最大等效应力值和结构局部相对位移值。

表1计算结果
工况最大V on Misce 应力(Mpa)最大位移(mm)工况一 131.64 0.42工况二 263.28 0.84工况三 275.97 0.44工况四 235.34 0.52由表1计算结果显示,可得各计算工况下的最大等效应力值和结构局部相对位移值。

从云图分布显示可知,在第二工况下的最大相对位移为0.84mm,相对于零位移约束变形较小,发生在立柱和横梁焊缝连接处。

结构大多数位置应力都很小,计算工况三最大应力值275.97MPa,位置都出现在变压器吊装孔处,最大应力值小于材料的屈服强度355MPa。

最大位移出现在安装孔处,造成这种情况的原因是,模型简化时简单的处理器件与柜体结构的安装关系,导致螺栓孔附近有应力集中。

由计算结果可得柜体的强度满足设计要求。

4.结论
本文通过ANSYS Workbench软件建立了某变压器柜体有限元模型,并进行计算求解。

根据不同工况作用下柜体结构的静强度分析结果,对柜体进行强度校核。

通过静强度计算分析,说明该变压器柜体结构设计合理,具有较高的强度,能够满足使用要求。

最后,该产品顺利通过了振动试验,说明了结构设计的合理性和仿真结果的准确性。

在产品设计过程中,对结构进行合理设计,引入结构仿真分析的手段,可以提高产品的可靠性,有效实现降本增效的目标。

运行至今,该变压器柜结构运行稳定可靠,进一步证明了本文强度分析的可信度。

参考文献
[1]EN61373-2010,Railway applications-Rolling stock equipment-Shock and vibration tests[S].2010.
[2] 刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2004.
[3] 闻邦椿.?机械设计手册?[M].北京:机械工业出版社,2015
作者简介:
张可飞(1981— ),男,民族,汉,硕士,高级工程师,主要研究方向:轨道交通变流系统电气结构设计联系人:
孟昭明
E-mail:159****************电话:159****5785。

相关文档
最新文档