應力等效線性化對GIS母線殼體的分析

趙艷濤 秦曉宇 張 壘 駱常璐 高振奎

（河南平芝高壓開關有限公司，河南 平頂山 467013）

GIS為氣體絕緣全封閉組合電器，GIS的主要組成部件有斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、母線及出線終端，其具有結構緊湊、可靠性高、安裝方便等優勢，廣泛應用于高壓、超高壓領域。母線殼體則作為GIS主要組成部分，其材料通常為鋁合金，內部充有較高的SF6氣體，利用SF6的特性提高設備內部絕緣性能［1］。當母線的安裝方向需改變時，需要在母線殼體上開孔并焊接支筒體，受制于設備內部絕緣的要求，支筒體直徑一般接近或等于母線殼體。在支筒體與殼體的交接部位存在應力集中現象，對于該部位應力的成分、大小及許用判定，在殼體結構設計時尤為重要。

壓力容器的設計通常采用傳統的計算方法，即規則設計，規則設計的大部分壓力容器都是偏于安全［2］，本文采用有限元的分析方法，對GIS 母線殼體進行應力分析。對于應力集中部位進行應力等效線性化處理，再對該部位進行應力許用評定。

1 模型的有限元分析

1.1 模型的基本情況

母線殼體的主筒子內徑為335mm，壁厚10.5mm，支筒體1 內徑326mm，壁厚8，支筒體2 內徑335，壁厚10.5，支筒體1是在主筒子開口拉拔后焊接在主筒體上。支筒體2采用插接焊方式焊接在主筒體上。殼體材料為鋁合金管5052-H112。材料特性：彈性模量E=68GPa、泊松比μ=0.33、許用應力Sm=48MPa。

圖1 模型的基本情況

1.2 網格劃分

模型的結構、載荷均為對稱情況，對模型進行對稱處理，進分析模型的1/2，以提高運算效率。網格的劃分是在ANSYS15.0 環境下進行，模型的網格劃分基于Mechanical的物理場進行，殼體共劃分606 388個單元，網格劃分結果如下圖2所示.

圖2 有限元模型及網格

1.3 施加載荷及計算結果

對模型的右側端面進行固定約束，內表面施加0.6MPa的壓力。采用第三強度理論（Stress Intensity）進行結果輸出，計算結果如下圖3所示：

圖3 殼體應力強度云圖

1.4 應力線性化處理

通過查看計算結果，支筒體1、2 與主筒體交接部位出現應力集中現象，分別對這兩處進行應力等效線性化處理。

應力等效線性化路徑選取的要求：

①沿壁厚拾取兩個端點作為路徑，路徑需貫穿整個壁厚；

②路徑需垂直于貫穿截面的中面。

按照以上方式選擇路徑，支筒體1等效線性化處理結果如圖4所示，支筒體2等效線性化處理結果如圖5所示。

2 計算結果分析

2.1 應力的類型及許用極限

依據JB4732規定，各類應力強度的需用極限為：一次總體薄膜應力SⅠ≤Sm，一次局部薄膜應力SⅡ≤1.5Sm，一次薄膜+一次彎曲應力SⅢ≤1.5Sm，一次應力+二次應力SⅣ≤3Sm。結合GIS母線的實際使用工況，設計時不考慮疲勞設計，對于應力集中部位的峰值應力不予考慮。

2.2 模型的強度評定

圖4 支筒體1路徑及應力結果

圖5 支筒體2路徑及應力結果

結合應力的計算結果圖，對于非應力集中部位的應力值均小于Sm。現對應力集中部位進行強度評定，應力集中部位的路徑選擇及應力值大小見圖4、圖5，ANSYS15.0可提取出路徑中均分的49處應力值大小及分類。選擇49 處中不同類型應力的最大值進行強度評定。由于ANSYS 提取的薄膜應力、彎曲應力及薄膜+彎曲應力并未區分一次、二次應力，處于安全起見，薄膜+彎曲應力也采用1.5Sm 進行許用判定。支筒體1、2 線性化處理的強度評定分別見下表所示：

應力類型薄膜應力SⅡ彎曲應力薄膜+彎曲應力支筒體1路徑應力48.17MPa 24.998MPa 59.88MPa支筒體2路徑應力32.476MPa 14.044MPa 43.4MPa許用極限1.5Sm=72MPa——3Sm=144MPa

通過上表對比結果可以判定模型滿足使用要求。

3 結論

經過對GIS 母線殼體的有限元分析，一般在殼體的支筒體與主筒體根部應力集中明顯。對于應力集中部位采用等效應力線性化處理，分解出應力的類型及大小，再采用JB4732進行許用判定。此方法可以為GIS母線的分析設計提供參考。

［1］黎斌.SF6［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［2］李永泰.壓力容器分析設計需討論的若干問題［J］.壓力容器，2007，24（2）:45-46.