大型真空罐總體彈性穩定性分析及其改進設計方案

譚鑫

（廣東省中山市南方空氣分離設備有限公司 528441）

大型真空罐總體彈性穩定性分析及其改進設計方案

譚鑫

（廣東省中山市南方空氣分離設備有限公司 528441）

本文通過對大型真空罐結構的分析，對實際變壓器廠內應用的大型真空罐總體彈性的臨界壓力進行了計算，在此基礎上，對穩定性進行了分析，并提出改進方法。

大型真空罐；干燥設備；改進方法

變壓器內部結構中包含較多的固體絕緣材料，在生產過程中需要及時關注含材料的含水量，避免含水量影響變壓器絕緣材料的性能。變壓器設備生產過程中，等級越高，內部材料對應的含水量必須越低，為了盡可能降低內部水分，必須應用真空干燥設備，在生產過程中及時除去水分[1]。實際生產過程中發現，變壓器的電壓等級要求越高，容量越大，內部應用的絕緣材料就會越厚，對干燥環境提出的要求就就會越高，進行干燥處理的真空罐尺寸就會越大。因此真空罐設計過程中必須要重點考慮總體彈性穩定性，對已有設計方案進行反復試算和完善，保證穩定性和剛度滿足結構要求。

1 真空罐概述

某變壓器廠對一個大型真空罐的幾何外形進行簡化后如圖1所示。

圖1 真空罐外形

該真空罐外形為一個立方體，其中有5個側面采用加強筋鋼板，剩下的一面為兩篇援助殼構成，將這一面作為真空罐的罐門。真空罐罐門為一長方形截面鋼條和兩個槽型鋼，將工字型鋼安裝與平板加強筋上。

工作過程中保證真空罐受壓均勻，將工作溫度控制在120℃左右，該真空罐整體有低碳鋼制成，彈性模量為E=2.1×105MPa，泊松比為0.3。

真空罐簡化后的圖形如圖2所示。

圖2 真空罐簡化圖

從圖2可以看出，真空罐簡化后基本可以看成是由梁、板和殼體構成的空間結構，應用傳統計算方法對其作出力學穩定性分析將會十分困難。隨著有限元分析技術和計算機技術的發展，力學分析問題得到了解決。

真空罐在應用過程中，必須在正確分析靜力強度的同時，還必須對總體平衡穩定性的屈曲進行分析[2]。本研究借助有限元分析技術對真空罐的靜力進行初步分析，之后對整體彈性屈曲進行分析，為了及時校核真空罐結構抗破壞能力，需要求出彈性屈曲的臨界壓力。研究過程中發現，雖然原有的設計方案存在一定的缺陷，但是從總體上看，該結構仍然具有較大的穩定性潛力，本文提出了這一種改進設計方法，減輕了結構的自重，可以相關工作提供參考。

2 模型分析

結合圖2可以看出，真空罐結構包含兩個對稱的平面，即平面ogy和平面oyz。真空罐在應用過程中，會受到均勻對稱的外壓力，在結構加強筋的作用下，彈性總體失穩波形也會將這兩個平面作為對稱面，因此在進行彈性屈曲分析和總體彈性靜力分析過程中一般選用該模型的1/4作為分析對象。

在常見的幾何形體中，圓柱殼體的莫內力狀態較為均勻，外壓力也比較平衡，一般可以承受較大的均勻外力。原有設計方案正是借助這一優勢，應用兩片圓柱殼體對接作為真空罐門，但是應用長方形板條對不同圓柱殼體進行加強，在結合位置并不能獲得良好的加強效果。

針對兩塊不同的圓柱殼塊而言，在均勻外力的影響下會在殼塊結合位置產生向下的線載荷，該線載荷可以完全有一根梁進行承載，應用梁承載的方法可以提供與線載荷相等、方向相反的力，保證與外壓力平衡。原有的設計方案中應用長方形板條，在就結合位置形成封閉的三角區域與向下的線載荷平衡，與梁支撐相比，效果較差。另外，將板條裝置焊接在圓柱殼體上，一定程度上會對圓柱殼的模內力狀態造成影響[3]。

結合以上分析，本研究中對原有設計方案進行了改進，設計出一種新的支撐方案，即在圓柱殼塊的結合位置放上尺寸適宜的工字鋼。經過上述分析，對1/4原結構進行有限元分析，及時繪制相應的有限元網格剖分圖。應用空間梁單元將加強筋分散開，應用三角形平面殼體單元將平板和圓柱殼分散開。

3 優化后的設計方案

原設計方案中應用I30a號型鋼，將此型鋼作為加強筋會具有過大的強度，在兩片圓柱光殼塊構成的真空罐門位置強度不足，在門位置形成屈曲波形，實際計算也證明了這一問題。

本研究提出改進方法，縮小四周壁板上的加強筋尺寸，同時增大加強筋的密度，保證整體結構的剛度均勻分布，更加合理。設計過程中充分考慮到工藝條件的限制，將實際加強筋的間距控制在500mm左右，所用工字型鋼的型號較小，改進過程中也可以對圓柱殼塊應用三根環向加強筋，應用I14型工字鋼，改進后方案的有限元分析展開圖如圖3所示。

圖3 改進后方案的有限元展開

圖3中右側為改進方案圓柱殼塊的網格剖分，與原有的有限元網格相比，改進方案的有限元網格更加密集，應用長方形平面殼單元取代原有的三角形平面殼單元，之后列出有限網格數據[4]。

通過對改進后方案的分析，發現應用兩片圓柱殼塊的方法在工藝實施和受力形態上都會表現出一定的缺陷，比較合理的方法是應用環向加強筋的結構形式，在一個側面上應用三根環向加強筋，其它五個側面應用長方形加強筋。

4 總體彈性屈曲計算

方案改進過程中，將原始方案和改進后的方案進行對比，對總體彈性屈曲的臨界壓力值進行計算。結果發現，應用改進后的方案，圓柱殼塊結合位置的臨界壓力從原來的38.056kPa上升到52.799kPa，改進效果十分明顯。

本研究中對改進方法選用了不同型號的加強筋，之后通過正確的計算，結果發現在側板上工字鋼型號不斷減小的同時，真空罐的總體屈曲臨界壓力值就會逐漸降低，主要原因是圓柱殼塊區域內形成屈曲波形。之后在圓柱殼體上加裝了三根環向加強筋，真空罐抵抗總體屈曲的能力得到提高，臨界壓力值也有所提高。

5 結束語

從結構上看，原有真空罐設計方案安全，但是設計方法不合理，必須在原有基礎上進行改進。改進后的方案可以保證穩定性，改進過程中應用了三種不同型號的工字鋼作為側面板的加強筋，可以為相關設計工作提供參考。另外，在圓柱殼塊拱高不斷增大的同時，臨界壓力值就會增大，如果將圓柱殼塊上的三根環向加強筋去掉，臨界壓力值下降。改進方案降低了真空罐的自重，主要對原有設計方案的加強筋大小和間距進行重新設置?？傊狙芯恐刑接懙恼婵展藿Y構較為復雜，穩定性分析過程中必須充分考慮不同構件中存在的平面變形問題和彎曲變形問題，對真空罐的靜力進行分析可以為屈曲理論提供參考，有限元分析過程中需要借助較細的網格進行應力分析，明確應力較大的區域，增加網格的密度。

[1]陳志江，楊永軍.真空罐應用原理[D].四川工業大學，2011，15（2）：146～ 148.

[2]陳曉東，孫永平，郭志平，等.有限元分析和工業應力探究領域的應用[J].計算機技術，2015，25（4）：47.

[3]王元蓀.變壓器設備生產過程控制[D].華中科技大學，2014（2）：61.

[4]安曉燕.大型真空罐應用技術研究[D].燕山大學，2011，15（1）：140.

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1004-7344（2016）15-0256-02

2016-5-10