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ANSYS軟件在電力機車變壓器設(shè)計中的應(yīng)用

發(fā)布時間:2019-07-13 17:17:25來源:

  為了保證機車高速運行的穩(wěn)定性,同時盡量節(jié)省空間,減小重量,機車變壓器大多采用車底吊掛方式安裝,而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊,這就要求變壓器油箱應(yīng)具有足夠的機械強度。因此我們在設(shè)計過程中采用了ANSYS軟件對變壓器油箱的機械強度進行了有限元計算,以驗證結(jié)構(gòu)的可靠性,并且根據(jù)計算結(jié)果對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)做了適當?shù)恼{(diào)整,從而為變壓器油箱的結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)并優(yōu)化了結(jié)構(gòu),提高了產(chǎn)品的可靠性。保證其在滿足強度的同時達到小型化、輕量化。現(xiàn)以“中華之星”高速機車變壓器為例,對此計算方法做詳細的介紹。

  1理論依據(jù)ANSYS軟件主要是采用有限元計算方法,有限元法是適應(yīng)于使用電子計算機而發(fā)展起來的一種新穎和有效的數(shù)值計算方法。這種算法的特點是由整體到分塊,再從分塊組集成整體,采用分塊近似插值函數(shù)去逼近整體連續(xù)函數(shù),可使連續(xù)體力學問題得到整體離散逼近、分塊連續(xù)的近似數(shù)值解,得到較精確的計算結(jié)果。

  由于牽引變壓器為空間薄壁結(jié)構(gòu),根據(jù)薄板彎曲理論,薄板的變形和應(yīng)力狀態(tài),完全由板中面的撓度《(x,y)所決定。所以,撓度計算公式應(yīng)為:w= 5e單元的節(jié)點位移陣列。

  應(yīng)變計算公式為:單元應(yīng)變矩陣。

  應(yīng)力計算公式為:單元內(nèi)任點應(yīng)力列陣;一材料的彈性矩陣;單元的初應(yīng)變列陣。

  2軟件介紹本次計算采用的是ANSYS有限元分析軟件包。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學為一體的大型通用有限元分析軟件。該軟件擁有豐富和完善的單元枯、材料模型庫和求解器,保證它能夠高效地求解各類工程問題,如:結(jié)構(gòu)靜力、動力、線性和非線性問題、電磁場問題、流體問題和熱傳導問題等。

  利用ANSYS軟件進行有限元分析的流程為:建立模型、劃分網(wǎng)格、施加載荷和約束、問題求解、結(jié)果后處理。

  3結(jié)構(gòu)簡介容器,具有容納器身,充變壓器油以及散熱的作用,還兼做變壓器附屬裝置的支撐,是復雜的空間薄板結(jié)構(gòu)。箱體全長為2 462mm,箱體寬1642mm,箱體高為899mm.其中箱蓋和箱底的厚度均為8mm的16Mn鋼板組成;四周的加強筋板為10X50mm,吊座加強板為10mm,油栗加強板為12mm,吊座為20mm,箱壁為6mm,其材料均為1Cr18Ni9Ti不銹鋼板。箱蓋上加強用的槽鋼為5mm厚,端子法蘭框為5mm厚,箱壁表1計算結(jié)果表上所用的油道厚為3mm,材料也均為1Cr18Ni9Ti不銹鋼板。油箱內(nèi)變壓器與電抗器隔板為10mm厚鋁板。因此采用四邊形線性板殼單元進行有限元計算。

  計算模型將油箱的箱底、箱壁、箱蓋及各種加強筋板均處理為板單元。

  4有限元模型的建立因為結(jié)構(gòu)及載荷的不對稱性成分較大,所以采用整體進行計算。依據(jù)結(jié)構(gòu)及力學特點,采用了板單元、梁單元,箱壁及其上所焊構(gòu)件均采用了板殼單元(SHELL63)進行計算,箱蓋與箱體所用拉螺桿定義為梁單元(BEAM4)。共將結(jié)構(gòu)劃分為12 072個節(jié)點,12209個板單元,5個梁單元,共為12214個單元。

  5邊界條件由于變壓器油箱是由四組螺栓通過固定板固定到車體上的,以箱底左上角為坐標原點,縱向為X軸、橫向為Y軸、鉛垂向下為Z軸正向,因此對于各種工況,在螺栓固定處施加約束,使其在各個方向的位移均為0. 6載荷計算電壓等級的三相電力變壓器技術(shù)要求參數(shù)規(guī)定了000kVA以上的電力變壓器機械強度試驗真空正壓為50kPa,正壓為58. 8kPa.但在實際運行時,機車變壓器還承受縱向5g加速度,橫向3g加速度。而且機車變壓器還要求體積小重量輕。結(jié)合以上情況,我們共選擇了2種載荷工況對油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行了結(jié)構(gòu)強度計算,這2種載荷工況為:自重(包括油箱重量、變壓器器身、電抗器、變壓器油及其他附件的重量,以下同)和垂直方向1g的加速度。

  其中:變壓器自身重4電抗器組及供電電抗器重1變壓器油重2 1g的加速度。

  計算過程中選取鋼材的彈性模量為2.泊松比為0.3,材料密度為7.8kg/m3;鋁板的彈性模量為0.695x105MPa,泊松比為0. 3,材料密度為2.65 kg/m3.整體網(wǎng)格剖分采用自由剖分,局部采用手工剖分,網(wǎng)格形式為四邊形板元,以保證計算的精確性。

  7計算結(jié)果分析由于機車牽引變壓器在普通電力變壓器的基礎(chǔ)上又進一步要求小型化、輕量化,即大容量小體積。同時還要承受縱向5g,橫向3g的加速度,而油箱的失效主要是在抽真空(或正壓)過程中局部平板翹曲引起的,因而常可以恢復變形并繼續(xù)運行。很少發(fā)現(xiàn)由此引起整個油箱屈曲失穩(wěn),導致整個變壓器失效報廢的。一般結(jié)構(gòu)油箱均可簡化成板梁組合的結(jié)構(gòu),即在平面殼體外側(cè)用各種截面的梁縱橫加強。造成油箱局部失穩(wěn)的主要原因是:(1)油箱整體剛度不足;(2)周圍的加強筋剛度不足;(3)鋼板本身的抗彎剛度不足;(4)加強筋與箱體的焊線機械強度不夠。

  油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全可靠標準主要是控制變形。

  變形過大不僅易引起鋼板的局部失穩(wěn),而且會導致局部裂紋或箱沿密封泄露。因此,我們在計算結(jié)果中主要觀察的是油箱的變形。

  通過對計算結(jié)果中油箱的應(yīng)力變形云圖和位移變形云圖的觀察,在第一種工況中,對于變壓器整體來說,變形量比較大的地方發(fā)生在箱底,變形量為1.9mm.應(yīng)力比較大值為204MPa,出現(xiàn)在箱壁與主變安裝座焊接點處,因此屬應(yīng)力集中點。

  由于第二種工況為極端惡劣工況,應(yīng)力集中點較多,且其值較大,所以只觀察其位移變形云圖,此工況比較大變形量為9.3mm,出現(xiàn)在箱底中心。部分應(yīng)力集中處的應(yīng)力值雖然相對較大,但由于模型與實際工況有一定區(qū)別,所以忽略其值。本工況應(yīng)力比較大值發(fā)生在箱底與箱蓋連接的拉螺桿處,比較大值為287MPa.在兩種工況中,第二種工況變壓器整體位移變形量比較大,比較大變形量為9.3mm,箱蓋比較大變形量為6.9mm,從結(jié)果分析,1Cr18Ni9Ti不銹鋼的許用應(yīng)力為220MPa,而比較大應(yīng)力值為287MPa,大于其許用應(yīng)力,但小于其屈服應(yīng)力345MPa,并且由于比較大值發(fā)生在應(yīng)力集中處,其值比實際值偏大。因此證明結(jié)構(gòu)滿足強度要求。由于箱底、箱蓋、箱壁的比較大位移均滿足試驗要求,在打壓工況下不至于出現(xiàn)不可恢復的變形,所以結(jié)構(gòu)在剛度方面也滿足要求。

  第二種工況中油箱各壁比較大位移的計算結(jié)構(gòu)與油箱機械強度試驗記錄比較見表1:8結(jié)束語通過比較計算結(jié)果和試驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果比打壓試驗結(jié)果要大。但總體誤差仍在允許范圍(±101)之內(nèi)。因此證明ANSYS軟件做出的有限元計算結(jié)果基本符合實際情況,完全適合于機車變壓器油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計。而且在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程中,有助于新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)的檢驗,并能夠幫助設(shè)計人員及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中的缺陷,對產(chǎn)品做進一步的改進,提高產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟性、合理性,從而增強企業(yè)對市場的應(yīng)變能力和競爭能力。

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