任瑞杰，李　曼，路素銀

(保定天威保變電氣股份有限公司，河北保定071051)

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變壓器建模不同對模態(tài)分析的影響

任瑞杰，李曼，路素銀

(保定天威保變電氣股份有限公司，河北保定071051)

抗震性能是變壓器設(shè)計中的一個關(guān)鍵指標(biāo)，而模態(tài)分析是一切振動分析的基礎(chǔ)。本文在實體單元力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，利用建立的簡化模型來模擬變壓器油箱和內(nèi)部器身。用有限元軟件分別對帶器身和用質(zhì)量點單元模擬器身兩種模型進行了模態(tài)仿真計算，并提取了前20階自振頻率，并對計算結(jié)果進行了總結(jié)和對比分析。

變壓器有限元模態(tài)質(zhì)量點單元

0　引言

模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)本身固有的振動特性，主要包括自振頻率和振型，是結(jié)構(gòu)動力計算的重要內(nèi)容。結(jié)構(gòu)的固有模態(tài)反映了其剛度指標(biāo)，是設(shè)計承受動載的結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，是瞬態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、譜分析的基礎(chǔ)[1-3]。

變壓器的抗震性能是變壓器設(shè)計中的一個關(guān)鍵指標(biāo)，其設(shè)計可靠性直接影響到變壓器的安全運行。根據(jù)變壓器設(shè)計要求，變壓器的抗震設(shè)計應(yīng)符合相應(yīng)地區(qū)地震烈度要求，確保其設(shè)計的可靠性，因此對其模態(tài)進行有效的有限元分析是十分必要的。

但由于變壓器油箱器身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，三維建模比較繁瑣，如果可以用質(zhì)量點單元來模擬器身進行建模計算，可以大大減少三維建模的工作量，提高效率。

本文基于有限元分析軟件用建立的簡化模型來模擬變壓器油箱及其內(nèi)部器身，分別對帶器身和用質(zhì)量點單元模擬器身兩種模型的模態(tài)進行了仿真計算并提取了前20階自振頻率，并對振動頻率進行了總結(jié)和對比分析。[4]

1　有限元模型的建立

為了方便分析，建模時用自己建立的簡化模型來模擬變壓器油箱和其內(nèi)部器身，這大大減輕了實體建模的工作，并且容易劃分網(wǎng)格。

1.1實體模型

圖1　簡化的變壓器油箱模型

利用3D軟件建立一個簡化模型來模擬變壓器油箱和其內(nèi)部器身。油箱尺寸為長1 000 mm，寬500 mm，高1 000 mm，厚度20 mm；器身尺寸為長500 mm，寬250 mm，高500 mm，器身放置在油箱底部正中位置，與油箱連接。簡化的實體模型(壓縮了上箱蓋)如圖1所示。

1.2有限元模型

在此采用有限元軟件對簡化模型進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分過程包括三個步驟：定義單元屬性；定義網(wǎng)格生成控制(可選擇的)；生成網(wǎng)格。

本簡化模型形狀比較規(guī)則，采用六面體單元和四面體單元劃分實體。整理好的變壓器油箱有限元簡化模型如圖2和圖3所示。

1.3材料屬性

該簡化的變壓器油箱及其器身模型所用到的材料按照實際的材料屬性設(shè)置好。

1.4定義邊界條件

有限元仿真分析時，施加在模型上的邊界條件應(yīng)該盡量與實際情況相吻合。本文進行的是模態(tài)分析對比，無需施加外部載荷，兩種模型下僅需對簡化的變壓器油箱底部進行全自由度約束。

2　求解、提取計算結(jié)果

在模態(tài)計算中本文設(shè)置了20階，分別對帶器身和用質(zhì)量點單元模擬器身兩種簡化模型進行了仿真計算，并提取了前20階頻率。

其中用質(zhì)量點單元模擬器身進行計算時，質(zhì)量點的施加位置又分為器身的重心位置和器身底面中心位置兩種情況。其具體施加位置如圖4和圖5所示。

帶器身情況下提取的前20階頻率如表1所示。

表1　帶器身的前20階頻率/Hz

用質(zhì)量點單元模擬器身時，其質(zhì)量點位置分別施加在器身重心和底面中心時提取的前20階頻率分別如表2和表3所示。

表2質(zhì)量點施加在重心位置的前20階頻率/Hz

階次12345頻率144.89152.64271.14278.2298.92階次678910頻率311.65365.53372.81390.78409.21階次1112131415頻率451.62483499.83537.97539.99階次1617181920頻率562.26606.37616.45626.93628.78

表3　質(zhì)量點施加在底面中心位置的前20階頻率/Hz

3　總結(jié)分析

對比上表1，2，3前20階的頻率可以看出對簡化模型帶器身和用質(zhì)量點單元模擬器身兩種情況下分別進行模態(tài)計算，其計算的結(jié)果完全相同，因此我們可以大致認(rèn)為在變壓器的模態(tài)計算中可以用質(zhì)量點單元來模擬油箱內(nèi)部器身，這樣可以減少器身建模的工作量，大大提高工作效率。

由于變壓器油箱和器身的實際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，重量比較大，在用有限元進行模態(tài)計算時，用質(zhì)量點單元模擬器身的計算結(jié)果和帶實際器身時的計算結(jié)果可能有所差別，本文得出的對比結(jié)果僅供參考。

[1]楊康,韓濤. ANSYS在模態(tài)分析中的應(yīng)用[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,23(1):81-84.

[2]張巖，等.中國ANSYS Workbench 15.0 有限元分析從入門到精通[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[3]王建江,胡仁喜,劉英林,等.ANSYS11.0結(jié)構(gòu)與熱力學(xué)有限元分析實例指導(dǎo)教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008:173-175.

[4]陳斗.變壓器結(jié)構(gòu)強度及模態(tài)分析[J].電工文摘,2010(4)：64-67.

[5]陳斗. 電抗器和變壓器的機械強度結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究[J].機電技術(shù),2010,33(4):49-50.

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The influence of different modeling on the modal analysis of the transformer

REN Ruijie, LI Man, LU Suyin

Seismic performance is a key parameter in the design of the transformer. The modal analysis is the basic of all vibration analysis. In this study, based on the mechanics of solid elements, we establish a simplified model of the transformer tank and the core-winding assembly. With the finite element software, we carried out modal simulation calculation of the core-winding assembly and the mass point element simulated model respectively, extracted the frequencies of the first 20 orders, and carried out contrast analysis of the results.

transformer，finite element，modal，mass point element

TM411+.2

A

1002-6886(2016)04-0053-03

任瑞杰(1983-)，男，河北邢臺人，工學(xué)學(xué)士，從事大型變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2016-01-18