基于ANSYSWorkbench的油箱整體結構設計優化

姚愛娟　王新兵　胥建文

摘 要：為了保證油箱結構密封性及長途運輸局限性，大件結構整體機械強度尤為重要。通過有限元軟件ANSYS Workbench分析正壓試驗時整體的變形和應力情況，提出最佳設計方案，并與出廠油箱機械強度試驗結果對比，檢驗結構的合理性，同時驗證該軟件的可行性。該方法有效提高產品設計質量，控制成本，增加經濟效益。

關鍵詞：油箱；ANSYS Workbench；機械強度；結構設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.077

1 引言

油箱是油浸電力變壓器的重要組成部分之一，作為內、外部零件的載體，其結構機械強度優劣直接影響變壓器的運行狀態，也可以滿足長途運輸的需求[1]。隨著電壓等級和容量的增大，則油箱的設計要求也不盡相同，則外形尺寸變得越來越大。而在實際生產過程中，由于所用材料及工藝水平的差異，控制成本，存在著結構性能不足，出現整體結構薄弱區域，造成試驗及運輸過程中油箱開裂或過度變形，即箱壁等位置變形量超出試驗允許值，降低效益[2]。所以多年來油箱結構優化被受重視，會避免結構性能的不足，大大提高設計質量和產品成本，產生明顯的經濟效益。

上世紀90 年代以來，變壓器行業快速迅猛發展，其需求隨之大幅增加。設計者采用經驗、類比設計的方法確定油箱結構整體參數。按照GB 1094.1-2013、GB/T 6451-2008及JB/T 501-2006對變壓器油箱機械強度的要求[3-5]，油箱不得有損傷和不允許的永久變形，保證嚴格的密封性。而作者針對公司葡萄牙項目油箱重點討論，采用有限元分析計算軟件ANSYSWorkbench[6-8]來仿真分析變壓器油箱在正壓試驗下的各部位準確的變形值及應力分布狀態。最后，將試驗數據與仿真結果對比分析，為類似油箱產品結構設計提供理論參考和技術支持，有效降低變壓器在生產、運輸及安裝環節中的成本，優化產業效益。

2 結構線性靜力學原理

結構靜力學分析計算在固定靜載荷作用下結構的響應，計算由那些不包括慣性和阻尼效應的載荷作用于結構或部件上引起的位移、應力、應變和力。固定不變的載荷和響應是一種假定，即假定載荷和結構響應隨時間的變化非常緩慢。本文仿真分析和計算，均是按照油箱所受的載荷為靜載荷來處理。則結構線性靜力學求解原理示意圖如下圖1所示。

3 有限元仿真計算

3.1 建立油箱模型

油箱通常分為殼式、桶式和鐘罩式油箱，而為了保證油箱滿足機械強度要求，為此在油箱箱壁焊有各種形式的加強鐵，一般分為板式（扁鋼）、槽式（槽鋼）及T型鋼結構，而板式結構加強鐵較其他結構強度較差，易產生大變形及應力集中。根據業主要求及成本控制，該油箱為盒式箱底、板式加強鐵、桶式結構。建模過程中，采用專業CAD三維軟件Creo，然后導入Workbench的Design Modeler進行修改和完善模型[9]。圖2為簡化處理改進后的變壓器油箱計算模型。

3.2 設置材料屬性和組件厚度

油箱箱壁、加強鐵等材料為Q235鋼板，為彈塑性材料，設置材料雙線性等向強化應力應變關系，其應力應變為多折線關系，在計算中采用塑性迭代處理，因此對于油箱應力集中部位的應力計算結果不準確，也就是應力畸點[10]。Q235鋼板材料屬性參數如下表1所示：

根據公司生產實際、產品設計要求及相關手冊確定各組件厚度及油箱整體基本尺寸，如下表2所示：

3.3 網格劃分和邊界條件設定

利用軟件自帶網格劃分工具，綜合用Multizone和Hex dominant等方法劃分網格，盡可能劃分成六面體網格。網格單元數26萬，節點數74萬，如圖3所示。

正壓試驗中，設置典型油箱內壁所承受的壓強為0.1 MPa為載荷條件，選取油箱內部進行面載荷加載，注意加載過程中的方向均為指向油箱外部。上、下節油箱必須密封良好，油箱平置，邊界約束設置下節油箱箱底為固定位移約束。圖4為邊界約束和載荷條件示意圖。

3.4 求解和后處理

采用非線性大應變求解設置，應力采用Von mises等效應力評估，在通用后處理選項中進行結果查看和分析，直觀的發現油箱整體薄弱點，按照對強度薄弱和變形過大部位幾方面的分析，唯一能夠改進的是板式加強鐵的加強方式。于是對此采取相應改進優化措施，將原油箱結構最大變形處（高低壓側中心，即板式加強鐵間距880mm處）中間加橫筋，在保證油箱整體強度的同時，盡可能降低成本。其中，按照國標規定變壓器油箱機械強度試驗，油箱箱壁不得有損傷和超限的彈性變形，則最大彈性變形要小于2倍的壁厚。則原結構和改進后油箱正壓試驗時高壓側等效應力和變形對比云圖如圖5和圖6所示。

綜合等效應力云圖和彈性變形云圖，得到兩種結構數據對比表，如表3所示。

從等效應力對比云圖看出，原油箱結構正壓試驗時，油箱應力集中區域較大，出現在高低壓側中心處，且油箱整體最大等效應力大于塑弾性材料的屈服極限，改進后油箱除了部分應力畸點，整體受力均勻，未出現嚴重的應力集中部位，相同部位處等效應力值小于原結構，且遠小于材料的許用范圍，結果大大改善。

從彈性變形云圖可以看出，最大變形出現在高低壓側中心處，區域較大，且變形量遠遠大于彈性變形的許用值。利用板式加強鐵隔斷最大變形區域，改進后油箱整體變形明顯減小，并未出現大面積變形大的區域，最大變形量小于彈性變形的許用值。綜上所述，改進后的油箱整體結構強度良好。

4 結果分析

4.1 油箱機械強度試驗

油箱機械強度試驗包括抽真空強度和正壓機械強度試驗，一般在不裝器身的單獨油箱上進行，而對于特殊結構的油箱，可以在總裝車間帶器身進行。該油箱在保證無焊接與密封缺陷的條件下，對單獨油箱進行機械強度試驗。

油箱平穩放置，連接好試驗管路和合適量程的壓力表或真空表；選擇測試點，一般設置在強度比較薄弱、變形量比較大的位置，具體數量根據油箱結構、大小及加強鐵數量決定；將每個測試面拉細繩作為測試基準線，真空強度試驗后，油箱恢復變形后的測量值為正壓試驗的初始值。當達到規定的正壓試驗壓力和時間時，用鋼板尺測量基準線到各測試點的距離，該數值與初始值之差為為測試點的彈性變形量。如果彈性變形在規定范圍內，則油箱的機械強度試驗合格；如果超出規定，應對油箱加固，重新進行上述試驗。

改進后油箱焊接檢驗合格、組裝完成后，按照以上技術要求和試驗方法進行強度試驗，試驗前根據仿真計算結果分析油箱箱壁強度薄弱點為高壓側板式加強鐵間距880mm的部位，設置七處測試點，試驗過程中對其進行密切關注。打正壓時，當壓力值為100KPa左右時，油箱結構沒有發現明顯彎曲變形和異響聲音，解除壓力后，停止強度試驗，對油箱結構強度變形測量進行分析，最大變形處出現在高壓側最左端板式加強鐵間距880mm的中間部位，而加橫筋的兩個部位變形量較小，高壓側變形試驗測試結果如下圖7所示。

4.2 結果對比

注：強度標準中，壁厚10mm，位移標準20mm，即為最大彈性變形允許值。

表4 給出了正壓試驗時油箱變形仿真計算結果和試驗測量值，可以看出在分析正壓條件下油箱機械強度的過程中，應用有限元仿真計算加載理想載荷時得到的變形略大于正壓試驗測量結果，考慮了改進油箱的實際尺寸和局限性，其仿真結果與試驗結果比較相近，存在較小偏差，并且最大變形區域也相同，滿足工程要求。應用有限元仿真分析檢驗油箱機械強度試驗下的整體結構強度，可用于指導結構設計。同時也說明公司在大件結構機械強度計算方面取得了長足的進步。

5 結論

本文中作者對一臺海外項目大件結構件變壓器油箱的機械強度進行了有限元仿真計算，并與實測結果進行了對比。

（1）應用有限元仿真計算方法檢驗變壓器油箱的整體結構強度，仿真結果與試驗結果相符合，具有可行性與準確性。

（2）有限元分析可以在大件結構生產制造之前，通過建立相應的三維簡化模型進行求解，進行后處理，分析其在正壓試驗條件下的總變形量和最大等效應力，發現其中的設計或結構缺陷，避免不必要的成本損失和控制工期，成為許多大型設備制造廠商不可或缺的計算分析軟件之一。

（3）由于有限元計算的局限性，及多種因素的影響，結果很難匹配實際情況，但對于不同的制造企業、甚至同一企業下不同的產品種類，也存在著較大的理論和仿真計算偏差。因此需要更多的試驗數據去修正以保證軟件準確性，用來進行變壓器油箱機械強度分析，指導油箱整體結構設計。

參考文獻：

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[9]李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設計、仿真與優化[M].北京：清華大學出版社，2012.

[10]楊文，石永久，王元清等.結構鋼焊接殘余應力三維有限元分析[J].吉林大學學報，2007，37（02）：347-352.

作者簡介：姚愛娟（1975-），女，山東昌樂人，本科，工程師，主要從事機械設計、工裝設計、工藝設計研究工作。