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隨著變壓器電壓等級(jí)的提高及容量的增大，變壓器油箱的尺寸變得越來(lái)越大，在抽真空及正壓工況下，油箱的變形及應(yīng)力也將變大，如不進(jìn)行仔細(xì)地分析，將出現(xiàn)油箱變形過(guò)大、箱壁及焊縫開(kāi)裂等問(wèn)題。本研究中應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)變壓器油箱進(jìn)行了有限元分析，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)有限元模型進(jìn)行了修正，以使有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值一致。
在結(jié)構(gòu)有限元分析過(guò)程中，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性主要取決于計(jì)算單元種類(lèi)的選取，同時(shí)材料的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系的建立也是十分關(guān)鍵的。變壓器油箱為薄壁結(jié)構(gòu)，應(yīng)用殼單元是比較合適的，同時(shí)變壓器油箱所用材料為Q235或Q345鋼材，為彈塑性材料，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為多折線關(guān)系。如選SHELL63單元，其只能建立線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，因此對(duì)于油箱應(yīng)力集中部位的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，而油箱中應(yīng)力集中正是油箱焊縫開(kāi)焊、油箱撕裂的主要原因。如果應(yīng)力集中部位的應(yīng)力計(jì)算不準(zhǔn)確，則油箱結(jié)構(gòu)不能確定。應(yīng)用ANSYS各種類(lèi)型的板殼單元對(duì)大量產(chǎn)品的油箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，同時(shí)計(jì)算速度比較快的單元類(lèi)型是四節(jié)點(diǎn)SHELLI81。
對(duì)于油箱用鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)簡(jiǎn)化為雙折線，在計(jì)算中采用塑性迭代處理，這樣，油箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算中應(yīng)力與變形分布結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近。通過(guò)以上的分析，確定油箱結(jié)構(gòu)分析采用四節(jié)點(diǎn)板殼單元SHELL181，材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用雙折線，與油箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度關(guān)系不大的部件忽略不予以考慮，由于上下節(jié)油箱為螺栓連接，因此，上、下節(jié)油箱分開(kāi)進(jìn)行強(qiáng)度分析是比較合適的。應(yīng)用ANSYS的APDL語(yǔ)言，對(duì)油箱模型進(jìn)行自動(dòng)生成。采用APDL語(yǔ)言生成油箱模型有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)油箱模型修改容易。(2)可形成油箱模型的參數(shù)化輸入，對(duì)于結(jié)構(gòu)相近的油箱可節(jié)省大量的時(shí)間。(3)計(jì)算模型錯(cuò)誤檢查相對(duì)容易。采用APDL語(yǔ)言生成油箱模型的命令流。油箱模型數(shù)據(jù)文件編制完成后，可應(yīng)用ANSYS軟件讀入，進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳎賾?yīng)用布爾操作中的AOVLAP或AGLUE命令使油箱各部件粘合在一起。最后對(duì)油箱各部件材料、厚度進(jìn)行賦值，變壓器油箱模型如圖所示。
變壓器油箱模型生成后，可按以下步驟進(jìn)行操作：(1)對(duì)油箱進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，如果定義的單元尺寸足夠小，則可采用自由剖分。(2)選擇油箱受大氣壓力部分，進(jìn)行面載荷加載，加載完畢后，按箭頭模式顯示載荷以觀察壓力方向。(3)位移約束加在箱沿螺栓位置。(4)對(duì)求解控制(Solution Controls)各項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，主要設(shè)置求解步長(zhǎng)。(5)求解。(6)通過(guò)后處理觀察計(jì)算結(jié)果。變壓器油箱的變形分布如圖所示，等值應(yīng)力分布如圖所示，局部等值應(yīng)力分布如圖所示。在有限元模型的生成過(guò)程中，長(zhǎng)度單位為mm，壓力單位為N/mm2(MPa)，則輸出結(jié)果中變形單位為mm，等值應(yīng)力單位為MPa。對(duì)于油箱各部位的變形值，由于油箱多為螺栓連接，螺孔尺寸大于螺栓尺寸，所以在受力初始階段，箱沿有一個(gè)較大的相對(duì)移動(dòng)及轉(zhuǎn)角，這也是加載初始階段變形增長(zhǎng)較快的原因。經(jīng)過(guò)對(duì)多臺(tái)變壓器油箱的計(jì)算分析，高低壓側(cè)箱壁的最大變形應(yīng)與實(shí)測(cè)值相比，應(yīng)加一個(gè)固定的差值，一般在6mm-7mm之間。對(duì)于尺寸相對(duì)較小的側(cè)壁，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值是十分接近的。對(duì)于油箱箱壁、加強(qiáng)鐵及箱蓋的允許變形值，一般來(lái)說(shuō)，箱壁、加強(qiáng)鐵變形不超過(guò)2.5倍壁厚，箱蓋不超過(guò)1.5倍箱蓋厚度，即可認(rèn)為是安全的。對(duì)于油箱的允許應(yīng)力，以不超過(guò)所選用鋼材的屈服強(qiáng)度為原則。例如Q235鋼的屈服強(qiáng)度為235MPa左右，并且奇異點(diǎn)可忽略。
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