基于ANSYS Workbench的變壓器箱體真空強度仿真

張家麒，趙 晶，王世杰

(沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

變壓器箱體(油箱)作為油浸式變壓器的外部保護裝置及盛有容器必須符合足夠的強度要求，其機械強度性能會直接影響變壓器的正常工作狀態(tài)。隨著人們對電力需求的不斷增加，變壓器的尺寸越來越大，真空注油時的變形也會增大。由于一般大型變壓器體積大且造價昂貴，不適合反復(fù)進行實驗，因此多采用仿真軟件分析模擬其變形情況。本文采用ANSYS Workbench軟件對變壓器箱體真空實驗變形情況進行仿真研究。

1 變壓器箱體受力狀態(tài)及材料

油箱作為變壓器的重要組成部件是變壓器整體外裝保護裝置，同時還具有盛油、散熱、絕緣等作用。標(biāo)準規(guī)定：變壓器油箱在承受真空載荷時，要求油箱機械強度可承受真空負壓力和運行正壓實驗，同時不允許有永久變形及損傷。

常見變壓器油箱分為桶式箱體、殼式箱體及鐘罩式箱體，本文以一臺桶式箱體為例進行分析。油箱材料選用Q345，材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示，材料屬性參數(shù)如表1所示。

圖1 Q345應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖1可以看出：Q345材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不滿足線性關(guān)系。所謂線性變形是指載荷與位移關(guān)系呈線性分布，如熟知的虎克定律就是力學(xué)理論中的典型線性關(guān)系，線性結(jié)構(gòu)適用于基于線性矩陣的有限元分析，然而很多結(jié)構(gòu)的力與位移關(guān)系都并不是僅滿足于一個常系數(shù)的線性關(guān)系，即非線性。非線性一般可分為幾何非線性和材料非線性：幾何非線性是指幾何形狀變化與所受載荷關(guān)系并不符合某常系數(shù)K，結(jié)構(gòu)在受力后體系發(fā)生顯著變化，結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形、大撓度等變化后以至于不能用簡單的線性方法分析，可認為該結(jié)構(gòu)幾何形狀發(fā)生了非線性變化；如果體系變形是由材料應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的非線性關(guān)系引起，可稱為材料非線性，如Q345材料。

表1 Q345材料屬性參數(shù)

本文分別使用線性、非線性兩種算法對變壓器箱體真空強度進行仿真，并對兩種算法的差異進行對比。

2 桶式變壓器箱體線性有限元真空仿真

2.1 變壓器油箱模型建立

建立模型時可使用ANSYS Workbench自帶的DM(Design Modeler)模塊進行建模，DM為有限元分析所使用的幾何模型平臺，因此具有一些特殊的功能，如梁結(jié)構(gòu)建模、填充、焊接等。同時由于ANSYS Workbench平臺的逐漸完善，其功能已經(jīng)使其與其他大部分三維設(shè)計軟件具有良好的兼容性。本文使用SolidWorks三維軟件進行建模，生成通用三維文件(如X_T格式)后導(dǎo)入DM模塊中生成模型。

建立模型時，需對箱體進行適當(dāng)簡化，忽略對箱體強度影響較小的部件，如閥門、油管等，可提高運算速率，簡化后的箱體模型如圖2所示。

2.2 網(wǎng)格劃分

設(shè)置好Q345材料的基本屬性以后，需對導(dǎo)入后的模型進行網(wǎng)格劃分。在有限元計算中，只有網(wǎng)格中的單元和節(jié)點會參與到計算中，因此，網(wǎng)格繪制的質(zhì)量會在很大程度上影響運算結(jié)果精度，但繪制網(wǎng)格并非越密集越好，因為過密的網(wǎng)格會增加單元數(shù)和節(jié)點數(shù)，導(dǎo)致運算時間大大增加，同時也會占用更多的存儲空間。理想的狀態(tài)為網(wǎng)格達到一定密度以后繼續(xù)細化網(wǎng)格，結(jié)果變化不再明顯，此時可選用該網(wǎng)格尺寸。由于箱體尺寸較大，可分塊劃分網(wǎng)格，即箱壁、箱蓋、箱底等規(guī)則部件使用六面體網(wǎng)格劃分，加強筋使用四面體網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為50 mm，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，單元數(shù)為478 486，節(jié)點數(shù)為1 522 775。

2.3 約束及載荷

由于進行變壓器真空實驗時應(yīng)將油箱放置于平面上，因此應(yīng)對箱底進行位移約束。典型變壓器油箱真空時應(yīng)施加壓強為0.101 MPa，壓強施加于箱底、箱壁、箱蓋上，應(yīng)注意加強筋不承受壓強。油箱施加約束與載荷如圖4所示。

圖2簡化后的箱體模型圖3油箱網(wǎng)格劃分圖4油箱施加約束與載荷

2.4 求解和后處理

設(shè)置好約束及載荷后，使用solve功能進行求解運算，后處理主要分析總變形及應(yīng)力。運算出結(jié)果后可以根據(jù)用戶需求來指定輸出結(jié)果，常用功能有變形(Deformation)、應(yīng)變(Strain)、應(yīng)力(Stress)、探測(Probe)、能量(Energy)等，對于變壓器真空模擬實驗一般關(guān)注變形情況。變形情況在Solution下可添加總變形(Total Deformation)，整體變形可選擇默認All Bodies，局部變形在scope中選擇想要查看的部件進行設(shè)置。設(shè)置成功后選擇Evaluate All Results后即可查看變形情況。線性分析得到的油箱整體變形及應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖5可知：油箱整體最大變形為23.118 mm，位于箱壁側(cè)面上；最大應(yīng)力為546.64 MPa，遠遠超過Q345屈服強度，但小于最大抗拉強度，與案例提供的實驗數(shù)據(jù)略有偏差。數(shù)據(jù)存在問題的原因有兩點：①變壓器油箱箱體常用材料為Q345，并非線性材料，材料應(yīng)力大于屈服強度以后會發(fā)生塑性變形；②箱壁變形常屬于大變形。

綜上所知，分析此問題不能簡單地采用線彈性方式進行計算，而要考慮彈性變形和塑性變形，應(yīng)該采用彈塑性的非線性進行分析。

3 桶式變壓器箱體非線性有限元真空仿真

由于大型變壓器箱體多采用大尺寸薄板結(jié)構(gòu)，在運輸、真空、使用過程中常常發(fā)生的變形屬于非線性變形，可使用ANSYS Workbench非線性仿真功能進行求解。通常靜力學(xué)分析會默認進行線性結(jié)構(gòu)分析，計算求解時僅迭代1次，而使用非線性功能進行求解時，每次計算會根據(jù)前一次運算矩陣進行求解，需要進行多次迭代，更接近于實際情況，此功能雖然會提高計算結(jié)果的精確度，但是會大大增加求解時間。具體運算過程如下：

(1) 建立模型,對于線性和非線性問題沒有本質(zhì)區(qū)別，可以直接沿用圖2模型。

(2) 材料定義有所不同，非線性問題創(chuàng)建材料時除了密度等基本信息外，要定義屈服強度、剪切模量等塑性參數(shù)，用以分析彈塑性變形問題。

(3) 分析線性問題時網(wǎng)格形狀檢查常常默認為“Standard Mechanical”，而進行非線性分析時，因非線性的復(fù)雜性，常常會涉及到大變形問題，此時將網(wǎng)格形狀檢查設(shè)置為“Aggressive Mechanical”則更為合理。同時對于中間節(jié)點的控制應(yīng)選擇“Dropped”去除中間節(jié)點、降低線性單元、增加求解穩(wěn)定性。

(4) 對于線性靜力問題，矩陣方程僅需要一次求解便可完成仿真分析。而非線性靜力問題一般不可以直接求出解，通常使用線性方程組逼近非線性方程組的方法，每次迭代都需要進行新的求解計算。在分析設(shè)置中，非線性應(yīng)注意進行載荷步與子步的設(shè)置，同時，由于分析過程中可能存在大變形，因此應(yīng)打開大變形計算開關(guān)；約束及載荷設(shè)置、求解及查看步驟與線性分析一致。

經(jīng)過非線性運算后得到油箱整體變形及應(yīng)力云圖，如圖6所示。

圖5線性分析得到的油箱整體變形及應(yīng)力云圖圖6非線性分析得到的油箱整體變形及應(yīng)力云圖

4 變壓器箱體線性與非線性有限元真空仿真結(jié)果對比

通過觀察仿真結(jié)果可以看出，最大變形及應(yīng)力常常不會是單一的一個點，很多情況下是一條線或者一個截面，因此以變壓器箱體仿真過程中各種狀態(tài)下的最大變形、應(yīng)力集中、潛在風(fēng)險等平面為參考平面進行數(shù)據(jù)提取。為了更好地體現(xiàn)分析結(jié)果與箱體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，分別定義箱壁側(cè)面、端面及箱蓋尺寸為橫軸，將標(biāo)簽1到2之間的尺寸變量設(shè)置為橫軸數(shù)值，如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)提取坐標(biāo)示意圖

同理截取應(yīng)力危險截面數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行歸納總結(jié)后繪制曲線圖，方便進行數(shù)據(jù)比較，得到的變壓器真空模擬數(shù)據(jù)對比如圖8所示。

由圖8可以看出：對同一材料分別使用非線性與線性分析方法時，二者間存在差異，使用非線性算法所得到的變形量往往大于線性算法，箱壁最大變形差值為0.15倍箱體壁厚；使用非線性算法所得應(yīng)力值小于線性算法，最大偏差為120 MPa。分析其原因在于線性算法運算過程中把箱體作為一個整體，一次性計算求解，而非線性算法中根據(jù)每一步所得結(jié)果的基礎(chǔ)上進行計算。實際問題中，當(dāng)發(fā)生非線性變形時，變壓器箱體通過變形抵抗局部應(yīng)力，降低風(fēng)險，因此會出現(xiàn)兩種算法變形量和應(yīng)力的差異。根據(jù)分析可以看出，焊縫連接處應(yīng)力常常會超過屈服強度，有較大的開焊風(fēng)險，應(yīng)予以加強。

5 結(jié)束語

本文以一例桶式變壓器箱體為例，使用ANSYS軟件針對其真空實驗狀態(tài)進行了仿真分析，并對分析過程進行簡單描述。因其在現(xiàn)實工況下受力情況較為復(fù)雜，因此使用線性及非線性兩種算法進行分析，并加以比較。兩種算法各有其優(yōu)點，線性算法因其一次求解的特點使得運算速度比較快，而非線性算法因為運算設(shè)置及方法更接近實際工況，雖然會大大增加運算時間，但是結(jié)果與真實情況更為接近。

圖8 變壓器箱體線性和非線性有限元真空仿真結(jié)果對比