李 靜， 陳健云， 徐 強(qiáng)， 苑晨陽(yáng)

(1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116023； 2.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，鄭州 450046)

大型變壓器運(yùn)輸在《電力建設(shè)安全施工管理規(guī)定》[1]中被列為重要施工工序和特殊作業(yè)，屬必須審批的安全施工項(xiàng)目。大型變壓器運(yùn)輸分航運(yùn)、鐵路及公路等多種方式，一臺(tái)大型變壓器從生產(chǎn)公司運(yùn)送到安裝地點(diǎn)，往往通過(guò)幾種運(yùn)輸方式相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。在海上運(yùn)輸過(guò)程中，變壓器除了受到重力、摩擦力、風(fēng)力及波浪力帶來(lái)的波濺力，還會(huì)受到海面大風(fēng)和波浪造成船舶自身運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的波濺力；在陸上運(yùn)輸過(guò)程中，由于緊急制動(dòng)等對(duì)變壓器產(chǎn)生沖擊力。這些在運(yùn)輸過(guò)程中所產(chǎn)生的荷載都會(huì)影響變壓器的安全性，使安全運(yùn)輸變得更加困難。保障運(yùn)輸過(guò)程中在任何意外作用下的結(jié)構(gòu)安全是大型變壓器質(zhì)量保證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。定位結(jié)構(gòu)作為大型變壓器運(yùn)輸過(guò)程中安全關(guān)鍵的安全構(gòu)件，在外部作用下的抗沖擊性能的好壞將直接影響變壓器在運(yùn)輸過(guò)程中的安全性。

針對(duì)以上問(wèn)題，袁鳳艷等[2]研制出一種新型變壓器以滿足鐵路運(yùn)輸條件，何能文[3]、張蕓[4]、李立武[5]等列舉大型變壓器的運(yùn)輸方案與工藝并加以討論。郭小龍等[6]分析目前大型變壓器的運(yùn)輸監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，提出一種大型變壓器運(yùn)輸振動(dòng)模型并設(shè)計(jì)一種運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。關(guān)于變壓器的定位結(jié)構(gòu)，姜海元[7]探討變壓器器身定位結(jié)構(gòu)的合理性并改善變壓器器身的組裝工藝與定位結(jié)構(gòu)的安全性。陳世省等[8]介紹大型變壓器器身上、下部定位裝置的幾種結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)實(shí)際工程中定位結(jié)構(gòu)的選用提出建議。但目前的主要研究集中在保證大型變壓器的安全運(yùn)輸方面，定位裝置自身的力學(xué)特性和抗沖擊能力還缺乏深入研究。定位結(jié)構(gòu)能夠確保大型變壓器在運(yùn)輸過(guò)程中內(nèi)部器身不移位，定位結(jié)構(gòu)的承載力對(duì)變壓器的安全和穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)定位結(jié)構(gòu)的研究是非常必要的。

本文以某定位結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)原型試驗(yàn)研究多種型號(hào)大型變壓器的定位結(jié)構(gòu)的極限承載力及其破壞形式，著重分析影響定位結(jié)構(gòu)極限承載力的薄弱環(huán)節(jié)。將試驗(yàn)結(jié)果與某大型變壓器在海上運(yùn)輸過(guò)程中的實(shí)際事故結(jié)果相對(duì)比，以驗(yàn)證試驗(yàn)的可靠性。通過(guò)有限元模擬本次試驗(yàn)，得到結(jié)構(gòu)在加載力作用下的破壞過(guò)程，分析結(jié)構(gòu)破壞的原因。

1 原型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槟炒笮妥儔浩鞯亩ㄎ唤Y(jié)構(gòu)，主要由夾件支板、定位釘、樹(shù)脂、定位木碗、紙板和定位鋼碗等部分組成。定位結(jié)構(gòu)采用樹(shù)脂定位在底板上，模型簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1，根據(jù)定位釘尺寸的不同，分為模型A(D1=100 mm)、模型B(D1=130 mm)和模型C(D1=180 mm)等3種。本次試驗(yàn)采取模型A和模型B兩種型號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)的目的是模擬定位結(jié)構(gòu)的實(shí)際破壞來(lái)確定2個(gè)型號(hào)定位結(jié)構(gòu)的極限承載力，并得到其破壞形式和結(jié)果。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，本次試?yàn)采用強(qiáng)度試驗(yàn)的方法，將模型放在試驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)500 t液壓千斤頂從上往下對(duì)夾支板進(jìn)行持續(xù)加壓(加載速率為2 kN/s)，至結(jié)構(gòu)破壞為止。在采集設(shè)備中記錄加載力以確定結(jié)構(gòu)極限承載力。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。

圖1 模型簡(jiǎn)圖圖2 試驗(yàn)裝置

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

模型A的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。定位釘不完全嵌入鋼碗25 mm。在壓力持續(xù)加載過(guò)程中，木碗與鋼碗相互擠壓。當(dāng)壓力加載到1 100 kN時(shí)，木碗開(kāi)始破壞，鋼碗開(kāi)始產(chǎn)生變形；當(dāng)壓力加載到1 550 kN時(shí)，結(jié)構(gòu)完全被破壞。此時(shí)，樹(shù)脂已破碎，而木碗被剪斷，其對(duì)應(yīng)的鋼碗部分也有較大的變形。

模型B的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。為較全面地模擬定位裝置全部的破壞形式，改變此次加載點(diǎn)的位置。

圖3 模型A的試驗(yàn)結(jié)果圖4 模型B的試驗(yàn)結(jié)果

1) 第一次加載的加載中心距加載鋼板左邊為50 mm(總長(zhǎng)200 mm)；加載到壓力為420 kN時(shí)，樹(shù)脂開(kāi)裂，木碗也相應(yīng)有所變形。

2) 在第一次的基礎(chǔ)上，將定位釘復(fù)位，加載中心改為距加載鋼板左邊18 mm，加載到360 kN時(shí)又出現(xiàn)與第一次相同的情況。

3) 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，可在第二次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上繼續(xù)加載得到結(jié)構(gòu)的最后抗力。加載力到1 100 kN時(shí)，木碗產(chǎn)生輕微聲響，開(kāi)始被破壞，鋼碗出現(xiàn)少許變形；加載力到1 233 kN時(shí)，結(jié)構(gòu)完全破壞。同模型A一樣，樹(shù)脂已破碎，而木碗被剪斷，其對(duì)應(yīng)的鋼碗部分也有較大的變形。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

分析對(duì)比模型A與模型B的破壞結(jié)果可知：

1) 盡管模型A與模型B模型尺寸和加載點(diǎn)位置不同，但最后被破壞的形式是一樣的。

2) 在加載過(guò)程中，木碗最先產(chǎn)生變形，但是由于木材在持續(xù)加載力的作用下具有黏彈性性質(zhì)，較塑性材料有著更好的變形能力，所以結(jié)構(gòu)仍舊具有較好的承載性能。

3) 在加載過(guò)程中，樹(shù)脂在較大的壓力作用下由于材料強(qiáng)度的不足而發(fā)生破碎，但鋼碗尚未屈服，整體結(jié)構(gòu)仍沒(méi)有達(dá)到極限承載力。

4) 當(dāng)力加載到一定程度時(shí)，鋼碗進(jìn)入塑性屈服階段，產(chǎn)生較大的變形，無(wú)法起到正常的保護(hù)作用。致使定位結(jié)構(gòu)變形過(guò)大，木碗被拉斷，定位結(jié)構(gòu)完全破壞。

5) 在整個(gè)定位結(jié)構(gòu)中，樹(shù)脂與鋼碗是薄弱環(huán)節(jié)，它們強(qiáng)度的大小影響定位結(jié)構(gòu)的極限承載力。

2.2 實(shí)際破壞形式

大型變壓器的運(yùn)輸形式多樣，其中包括海運(yùn)。海上情況復(fù)雜，運(yùn)輸過(guò)程中的沖擊作用會(huì)導(dǎo)致變壓器定位結(jié)構(gòu)的損壞，進(jìn)而影響到變壓器的質(zhì)量，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。一次海運(yùn)過(guò)程中事故定位結(jié)構(gòu)(定位釘尺寸為180 mm)的破壞照片見(jiàn)圖5。

分析圖5可知：實(shí)際破壞形式與本次原型試驗(yàn)現(xiàn)象是一致的。

圖5 海運(yùn)事故破壞結(jié)果

1) 樹(shù)脂部分在沖擊力的作用下發(fā)生破碎，鋼碗變形非常大，以至木碗被剪斷如圖5a所示。

2) 定位釘部分也產(chǎn)生塑性變形如圖5b所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到結(jié)論: 模型尺寸和加載點(diǎn)即使不同，破壞形式仍舊是相同的。所以，試驗(yàn)成功地模擬變壓器在運(yùn)輸過(guò)程中定位結(jié)構(gòu)的破壞形式。為進(jìn)一步確保本次試驗(yàn)的結(jié)果可靠性，下面進(jìn)行定量的數(shù)值分析。

2.3 結(jié)構(gòu)抗力分析

根據(jù)試驗(yàn)，得到模型A與模型B的受力簡(jiǎn)圖，見(jiàn)圖6。試驗(yàn)得到的抗力分別為

1 551.4 kN×0.4=650.6 kN

(1)

1 233.1 kN×0.9=1 109.8 kN

(2)

a) 模型Ab) 模型B

圖6 模型受力簡(jiǎn)圖

由模型的受力簡(jiǎn)圖得到定位結(jié)構(gòu)底板的反力，根據(jù)模型的受力特性，結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的底板的反力可認(rèn)為是定位結(jié)構(gòu)的極限承載力。下面通過(guò)有限元模擬的方法驗(yàn)證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3 模型試驗(yàn)的數(shù)值分析

3.1 有限元模型

根據(jù)所做的試驗(yàn)，建立模型A和模型B兩個(gè)有限元模型。由于定位結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，故定位結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸按1∶1并取其1/2進(jìn)行建模。樹(shù)脂和木碗采用線彈性材料，鋼碗結(jié)構(gòu)采用實(shí)際的鋼材屬性。

1) 根據(jù)樹(shù)脂和木碗的實(shí)際受力情況，在有限元計(jì)算中,模型A樹(shù)脂結(jié)構(gòu)和木碗結(jié)構(gòu)只取實(shí)際模型的1/4。試驗(yàn)?zāi)Ｐ虯中定位釘進(jìn)入鋼碗的尺寸只有25 mm，這表明木碗與底部鋼板并沒(méi)有接觸，因此，建立有限元模型時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，模型A有限元模型見(jiàn)圖7a。

2) 模型B中定位釘完全嵌入鋼碗。試驗(yàn)中和夾件支板焊接在一起的定位釘并沒(méi)有出現(xiàn)破壞現(xiàn)象且完好無(wú)損，所以在有限元模型中用圓柱體代替夾支板，不保留焊縫?？紤]到在運(yùn)輸時(shí)變壓器的定位裝置上下都有分布，所以將模型B的有限元模型調(diào)整為上下2個(gè)完全對(duì)稱的定位釘形式，木碗和樹(shù)脂同樣采用1/4模型。模型B有限元模型見(jiàn)圖7b。

a) 模型Ab) 模型B

圖7 有限元模型

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

3.2.1模型A計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)模型A的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到整個(gè)模型的應(yīng)力云圖和主要部位的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖8。

a) 結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力圖b) 鋼碗應(yīng)力圖

c) 樹(shù)脂應(yīng)力圖

根據(jù)計(jì)算可得，底部鋼板總反力為569.3 kN，與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)620.5 kN相差8.22%。

由圖8可知：木碗部分變形很大，但是由于其材料特性和受力特性，應(yīng)力并不是很大。鋼碗和樹(shù)脂部分應(yīng)力很大，并在部分區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，樹(shù)脂部分應(yīng)變過(guò)大，是整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。

提取底部鋼板X方向反力和施力點(diǎn)X(方向)位移見(jiàn)圖9a，力隨位移的變化趨勢(shì)。在起始階段，力-位移是線性關(guān)系，當(dāng)達(dá)到一定程度之后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，然后曲線的斜率明顯降低。這說(shuō)明在力剛開(kāi)始加載時(shí)，整體結(jié)構(gòu)處于彈性階段。當(dāng)反力達(dá)到約300 kN時(shí)，部分結(jié)構(gòu)開(kāi)始破壞，甚至開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形。

提取鋼碗上部?jī)牲c(diǎn)X方向應(yīng)變和底部鋼板X方向反力見(jiàn)圖9b。在起始階段力-應(yīng)變也是線性關(guān)系，當(dāng)達(dá)到一定程度之后有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這說(shuō)明鋼碗結(jié)構(gòu)在反力約達(dá)到300 kN時(shí)進(jìn)入塑性階段，并在最后發(fā)生破壞，與試驗(yàn)的最后結(jié)果相符。

a) 反力-位移曲線b) 反力-應(yīng)變曲線

圖9 模型A反力曲線

3.2.2模型B計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)模型B的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，整個(gè)模型的應(yīng)力云圖和主要部位的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖10。

a) 結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力圖b) 鋼碗應(yīng)力圖c) 鋼碗塑性應(yīng)變d) 樹(shù)脂應(yīng)力圖

圖10 模型B計(jì)算結(jié)果

提取箱底鋼板X方向反力為1 071 699 N,與試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)1 109.8 kN在試驗(yàn)誤差可控之內(nèi)，誤差為3.43%。

由圖8可知：由于上下全部約束的原因，整體結(jié)構(gòu)的變形不是很大，木碗部分也沒(méi)有很明顯的應(yīng)變。鋼碗部分和樹(shù)脂部分應(yīng)力較大，尤其是鋼碗部分，產(chǎn)生應(yīng)力集中，樹(shù)脂部分應(yīng)變較大。

提取模型塑性應(yīng)變?cè)茍D，發(fā)現(xiàn)塑性應(yīng)變最大值發(fā)生在鋼碗部分見(jiàn)圖11。在結(jié)構(gòu)模型中鋼碗部分進(jìn)入塑性變形階段，其他部分塑性變形較小，并未發(fā)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)破壞。由此可得出，鋼碗的強(qiáng)度是影響結(jié)構(gòu)極限承載力的主要因素之一。

3.3 模型C有限元分析

模型A和模型B的有限元計(jì)算過(guò)程都成功地模擬實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果，繼續(xù)建立模型C的有限元模型，與實(shí)際海運(yùn)破壞形式相互驗(yàn)證。根據(jù)真實(shí)的運(yùn)輸情況，建立有限元模型見(jiàn)圖11a。

在某海運(yùn)過(guò)程中發(fā)生事故的變壓器器身重為263 t，假設(shè)承受相當(dāng)于4g加速度的沖擊力作用，變壓器的定位結(jié)構(gòu)采取上下各4個(gè)的方案，每個(gè)定位結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的尺寸為D1=180 mm。在4g加速度沖擊作用下，可計(jì)算出每個(gè)定位裝置承受的抗力。

變壓器承受沖擊力為

263 t×4×9.8 m/s2×1 000 kg/t=10 309.6 kN

(3)

每個(gè)定位結(jié)構(gòu)承受抗力為

10 309.6 kN/8=1 288.7 kN

(4)

對(duì)此有限元進(jìn)行計(jì)算分析，可得到每個(gè)定位結(jié)構(gòu)所能承受的抗力，應(yīng)力結(jié)果如圖11所示。提取得到此結(jié)構(gòu)的極限承載力1 072.0 kN，而此次海運(yùn)中每個(gè)定位結(jié)構(gòu)所承受的沖擊力都超出了本身所能承受的最大抗力，超出率達(dá)20.22%，最終導(dǎo)致事故的發(fā)生。這不僅證明了有限元分析的正確性，也為定位結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和完善提供了很好的依據(jù)。

a) 有限元模型Cb) 鋼碗應(yīng)力圖

c) 樹(shù)脂應(yīng)力圖

3.4 模型破壞對(duì)比分析

在對(duì)3種模型進(jìn)行有限元模擬計(jì)算之后，定性地確定鋼碗結(jié)構(gòu)與樹(shù)脂結(jié)構(gòu)為模型破壞的薄弱環(huán)節(jié)。為進(jìn)一步定量地研究鋼碗結(jié)構(gòu)的塑性階段，提取整理3個(gè)模型鋼碗結(jié)構(gòu)薄弱部分進(jìn)入塑性階段時(shí)的反力與結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的樹(shù)脂最大應(yīng)變(見(jiàn)表1)。

表1 模型鋼碗與樹(shù)脂數(shù)據(jù)

由表1可知：模型A和模型B鋼碗結(jié)構(gòu)的薄弱部分都在結(jié)構(gòu)破壞之前進(jìn)入塑性階段，并且此時(shí)的反力正是在反力-應(yīng)變曲線發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前。逐漸增大加載力，進(jìn)入塑性階段的鋼碗部分逐漸增大。由結(jié)構(gòu)破壞時(shí)樹(shù)脂的應(yīng)變可知：樹(shù)脂結(jié)構(gòu)采用線彈性材料，但由于鋼碗在進(jìn)入塑性階段之后，對(duì)其無(wú)法起到應(yīng)有的保護(hù)作用，使得樹(shù)脂結(jié)構(gòu)應(yīng)變超過(guò)1，有限元計(jì)算不收斂，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，這與原型試驗(yàn)的結(jié)果也是一致的。

但分析模型C之后發(fā)現(xiàn)，模型的鋼碗結(jié)構(gòu)并沒(méi)有進(jìn)入塑性階段。這是由于模型C的定位釘尺寸較大，周圍木碗和樹(shù)脂尺寸也較大，在結(jié)構(gòu)由于樹(shù)脂變形過(guò)大產(chǎn)生破壞之前鋼碗結(jié)構(gòu)還未產(chǎn)生塑性變形。結(jié)構(gòu)破壞時(shí)樹(shù)脂結(jié)構(gòu)應(yīng)變也超過(guò)1，有限元計(jì)算不收斂，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際事故結(jié)果相符。適當(dāng)?shù)卦黾佣ㄎ会數(shù)某叽缈商岣卟糠殖休d力，但結(jié)構(gòu)的極限承載力是由鋼碗樹(shù)脂等多方面因素決定的，需要綜合考慮以得到重要的影響因素。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)原型試驗(yàn)和有限元模型的模擬，得到以下結(jié)論：

1)從原型試驗(yàn)的結(jié)果與海運(yùn)事故的圖片對(duì)比中可以得出：試驗(yàn)成功地模擬了定位結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)輸中的破壞過(guò)程。

2)有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果成功對(duì)應(yīng)，能定量地確定鋼碗結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性時(shí)反力和結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的樹(shù)脂應(yīng)變，并得出定位結(jié)構(gòu)的極限承載力。

3)試驗(yàn)和有限元模擬都得出樹(shù)脂部分和鋼碗部分是此定位結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，它們的強(qiáng)度影響結(jié)構(gòu)的極限承載力，為定位結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，以保障大型變壓器設(shè)備在運(yùn)輸過(guò)程中的安全性。