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ANSYS在变压器油箱有限元分析中的应用

发布于:2018-08-13 21:07
有限元分析

      随着变压器电压等级的提高及容量的增大,变压器油箱的尺寸变得越来越大,在抽真空及正压工况下,油箱的变形及应力也将变大,如不进行仔细地分析,将出现油箱变形过大、箱壁及焊缝开裂等问题。本研究中应用ANSYSApp对变压器油箱进行了有限元分析,根据实测结果对有限元模型进行了修正,以使有限元计算结果与实测值一致。
      在结构有限元分析过程中,计算结果的准确性主要取决于计算单元种类的选取,同时材料的应力、应变关系的建立也是十分关键的。变压器油箱为薄壁结构,应用壳单元是比较合适的,同时变压器油箱所用材料为Q235或Q345钢材,为弹塑性材料,其应力应变关系为多折线关系。如选SHELL63单元,其只能建立线性应力-应变关系,因此对于油箱应力集中部位的应力计算结果不准确,而油箱中应力集中正是油箱焊缝开焊、油箱撕裂的主要原因。如果应力集中部位的应力计算不准确,则油箱结构不能确定。应用ANSYS各种类型的板壳单元对大量产品的油箱结构进行强度计算,发现计算结果比较准确,同时计算速度比较快的单元类型是四节点SHELLI81。
      对于油箱用钢材的应力-应变关系应简化为双折线,在计算中采用塑性迭代处理,这样,油箱结构强度计算中应力与变形分布结果与实测结果比较接近。通过以上的分析,确定油箱结构分析采用四节点板壳单元SHELL181,材料应力应变关系采用双折线,与油箱结构强度关系不大的部件忽略不予以考虑,由于上下节油箱为螺栓连接,因此,上、下节油箱分开进行强度分析是比较合适的。应用ANSYS的APDL语言,对油箱模型进行自动生成。采用APDL语言生成油箱模型有如下优点:(1)油箱模型修改容易。(2)可形成油箱模型的参数化输入,对于结构相近的油箱可节省大量的时间。(3)计算模型错误检查相对容易。采用APDL语言生成油箱模型的命令流。油箱模型数据文件编制完成后,可应用ANSYSApp读入,进行适当的操作,再应用布尔操作中的AOVLAP或AGLUE命令使油箱各部件粘合在一起。最后对油箱各部件材料、厚度进行赋值,变压器油箱模型如图所示。
      变压器油箱模型生成后,可按以下步骤进行操作:(1)对油箱进行有限元网格剖分,如果定义的单元尺寸足够小,则可采用自由剖分。(2)选择油箱受大气压力部分,进行面载荷加载,加载完毕后,按箭头模式显示载荷以观察压力方向。(3)位移约束加在箱沿螺栓位置。(4)对求解控制(Solution Controls)各项进行设置,主要设置求解步长。(5)求解。(6)通过后处理观察计算结果。变压器油箱的变形分布如图所示,等值应力分布如图所示,局部等值应力分布如图所示。在有限元模型的生成过程中,长度单位为mm,压力单位为N/mm2(MPa),则输出结果中变形单位为mm,等值应力单位为MPa。对于油箱各部位的变形值,由于油箱多为螺栓连接,螺孔尺寸大于螺栓尺寸,所以在受力初始阶段,箱沿有一个较大的相对移动及转角,这也是加载初始阶段变形增长较快的原因。经过对多台变压器油箱的计算分析,高低压侧箱壁的最大变形应与实测值相比,应加一个固定的差值,一般在6mm-7mm之间。对于尺寸相对较小的侧壁,计算值与实测值是十分接近的。对于油箱箱壁、加强铁及箱盖的允许变形值,一般来说,箱壁、加强铁变形不超过2.5倍壁厚,箱盖不超过1.5倍箱盖厚度,即可认为是安全的。对于油箱的允许应力,以不超过所选用钢材的屈服强度为原则。例如Q235钢的屈服强度为235MPa左右,并且奇异点可忽略。


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