帥遠(yuǎn)明，王革鵬

(西安西電變壓器有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077)

變壓器油箱是器身及絕緣油的容器，同時(shí)是組、附件安裝的支撐和基礎(chǔ)，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段需對(duì)油箱強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，確保其機(jī)械強(qiáng)度滿足產(chǎn)品試驗(yàn)及運(yùn)行的要求。但是由于油箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用經(jīng)典力學(xué)公式對(duì)油箱強(qiáng)度的變形量及應(yīng)力值進(jìn)行計(jì)算相對(duì)比較困難。隨著近些年來(lái)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程中的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以得到準(zhǔn)確的校核與分析，從而確保設(shè)計(jì)方案合理、可靠[1-3]。

作為大型通用CAE分析軟件，ANSYS Workbench對(duì)變壓器油箱強(qiáng)度的仿真精度高，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。但是由于其應(yīng)用難度大，需具備一定的專業(yè)知識(shí)并經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的培訓(xùn)才能熟練掌握，難以在變壓器設(shè)計(jì)人員中推廣應(yīng)用[3-4]，而且油箱模型的創(chuàng)建通常要利用第三方設(shè)計(jì)軟件，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，效率較低。

為解決上述問(wèn)題，本文依據(jù)典型變壓器產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案定制了可快速建立模型及計(jì)算分析的變壓器油箱強(qiáng)度仿真模板[6-7]，并基于仿真模板對(duì)一臺(tái)實(shí)際產(chǎn)品的油箱進(jìn)行模型創(chuàng)建及強(qiáng)度計(jì)算，與試驗(yàn)所測(cè)得各箱壁的變形量進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證利用仿真模板計(jì)算變壓器油箱強(qiáng)度的效率及精度。

1 油箱強(qiáng)度仿真模板的開(kāi)發(fā)

ANSYS Workbench計(jì)算油箱強(qiáng)度的流程相對(duì)固定，模型處理通常利用軟件自帶的前處理模塊Design Modeler進(jìn)行，而定義約束、劃分網(wǎng)格及仿真計(jì)算等過(guò)程均在多物理場(chǎng)仿真模塊Mechanical中完成。Design Modeler和Mechanical為互相獨(dú)立的功能模塊，啟動(dòng)及操作響應(yīng)過(guò)程中，程序內(nèi)部分別調(diào)用不同的界面代碼和腳本文件，故對(duì)油箱強(qiáng)度仿真模板的開(kāi)發(fā)需分別針對(duì)模型處理模塊及計(jì)算分析模塊進(jìn)行。

ANSYS Workbench提供了多種開(kāi)發(fā)工具，可實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展及工程界面開(kāi)發(fā)。本文中，仿真模板界面的開(kāi)發(fā)由CSS及HTML文件實(shí)現(xiàn)，利用JavaScript腳本實(shí)現(xiàn)功能菜單的響應(yīng)。開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)單、靈活，交互界面簡(jiǎn)潔，功能按鈕響應(yīng)高效，且易于后續(xù)對(duì)模板進(jìn)一步的改進(jìn)開(kāi)發(fā)。

1.1 仿真模板的開(kāi)發(fā)

通過(guò)對(duì)程序源文件的修改，并結(jié)合CAD軟件的建模流程，開(kāi)發(fā)了變壓器油箱建模模板，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模。變壓器油箱類型主要包括鐘罩式和桶式，兩種油箱結(jié)構(gòu)相差較多，故建模模板分別針對(duì)兩種類型的油箱進(jìn)行開(kāi)發(fā)，建模時(shí)模板程序根據(jù)選擇的油箱類型自動(dòng)更新各功能子模塊對(duì)應(yīng)的參數(shù)輸入。建模模板主界面見(jiàn)圖1。

圖1 建模模板主界面

根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品輸入相應(yīng)參數(shù)，如油箱內(nèi)壁尺寸、箱壁材料的厚度、上下節(jié)油箱的高度、加強(qiáng)槽鋼等，即可完成油箱模型的創(chuàng)建。油箱模型建立完成后，通過(guò)模型處理模板生成仿真計(jì)算所需的輔助體，以方便后續(xù)仿真過(guò)程中邊界條件的定義及載荷面的選取。

計(jì)算分析模板按照變壓器油箱強(qiáng)度計(jì)算流程進(jìn)行定制，可以減少由于操作失誤造成的仿真錯(cuò)誤。通過(guò)相應(yīng)的功能按鈕操作及文本框參數(shù)輸入，即可實(shí)現(xiàn)定義參數(shù)、施加載荷、網(wǎng)格劃分、提交計(jì)算等操作。油箱強(qiáng)度計(jì)算分析模板主界面見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算模板主界面

仿真模板集成了符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)且易于再次定制開(kāi)發(fā)的計(jì)算報(bào)告模板。仿真分析完成后，模板程序可自動(dòng)生成包括計(jì)算模型、有限元模型、計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果云圖等信息在內(nèi)的完整計(jì)算報(bào)告，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)油箱強(qiáng)度能否滿足要求進(jìn)行初步判斷。

1.2 基于模板的油箱強(qiáng)度仿真流程

變壓器油箱初步設(shè)計(jì)方案完成后，即可利用仿真模板對(duì)其進(jìn)行建模仿真，分析其在強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)各部位的變形量及應(yīng)力分布。因仿真模板具有良好的交互界面，技術(shù)人員無(wú)需經(jīng)過(guò)專門(mén)的培訓(xùn)，參照油箱強(qiáng)度仿真流程即可完成分析工作。利用仿真模板計(jì)算變壓器油箱強(qiáng)度流程如圖3所示。

圖3 基于模板的仿真流程圖

2 油箱建模及處理

本文利用建模模板對(duì)一臺(tái)型號(hào)為SFSZ-240000/220的變壓器油箱進(jìn)行了三維模型創(chuàng)建。該油箱類型為鐘罩式，內(nèi)壁尺寸等基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 油箱參數(shù)

啟動(dòng)油箱建模模板后，分別在不同的功能組中輸入相應(yīng)的參數(shù)，完成油箱模型的創(chuàng)建。圖4為建立完成的油箱模型。

圖4 油箱模型

油箱模型建立完成后啟動(dòng)模型處理主界面，創(chuàng)建的油箱模型自動(dòng)重命名并與后續(xù)生成的輔助體進(jìn)行區(qū)分。由于模型已在DM中創(chuàng)建完成，可直接對(duì)油箱模型進(jìn)行處理。

因變壓器油箱含有大量的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，幾何形狀復(fù)雜，直接選擇加載面相對(duì)比較困難，且容易出現(xiàn)漏選、錯(cuò)選等。模型處理模板通過(guò)建立與油箱模型共用幾何拓?fù)涞妮o助體，可以在后續(xù)加載或者定義約束時(shí)利用輔助體進(jìn)行選擇，提高了仿真效率與精度。

3 油箱強(qiáng)度計(jì)算及驗(yàn)證

根據(jù)技術(shù)協(xié)議，變壓器油箱需分別進(jìn)行正壓、負(fù)壓強(qiáng)度計(jì)算，其中正壓壓差為98kPa，負(fù)壓真空度為133Pa，因此添加正負(fù)壓仿真工況，并定義兩種工況下不同的參數(shù)。模板自動(dòng)選擇載荷面及約束面并完成分組，便于后續(xù)過(guò)程中載荷及約束的定義。

仿真模板內(nèi)部已經(jīng)集成了變壓器結(jié)構(gòu)分析常用材料，根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案選擇油箱材料為Q345鋼。通過(guò)網(wǎng)格劃分功能組實(shí)現(xiàn)油箱模型離散化。對(duì)于變壓器油箱強(qiáng)度計(jì)算，其載荷需施加在油箱的內(nèi)外表面上，同時(shí)油箱箱底固定約束。模板程序可根據(jù)參數(shù)定義中完成的計(jì)算參數(shù)及幾何分組定義，在不同工況下施加相應(yīng)的載荷及約束。

求解設(shè)置完成后，即可對(duì)已定義的工況進(jìn)行求解計(jì)算。計(jì)算完成后，模板自動(dòng)添加變壓器油箱的合位移及等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。圖5與圖6分別為負(fù)壓工況下油箱的變形量及等效應(yīng)力云圖。

圖5 負(fù)壓變形

圖6 負(fù)壓應(yīng)力

該油箱在負(fù)壓工況下最大變形量約為8mm，等效應(yīng)力最大值約為325MPa，正壓工況最大變形量約為7.5mm，等效應(yīng)力最大值約為315MPa。因材料屈服極限為345MPa，故在正、負(fù)壓工況下，油箱各部位變形均為彈性變形，載荷卸除后變形區(qū)域會(huì)恢復(fù)，且變形值均在試驗(yàn)允許的范圍內(nèi)。

變壓器油箱的正、負(fù)壓機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)屬于型式試驗(yàn)，油箱強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)箱壁及箱蓋中部等位置的變形量進(jìn)行測(cè)量記錄。以負(fù)壓為例，試驗(yàn)結(jié)果及仿真計(jì)算結(jié)果總結(jié)見(jiàn)表2。

表2 油箱強(qiáng)度試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果 單位：mm

計(jì)算結(jié)果略小于試驗(yàn)值，誤差最大約為0.5mm。其原因主要是實(shí)際產(chǎn)品由于焊接加工等存在預(yù)應(yīng)力，與計(jì)算所采用的理想化模型狀態(tài)有一定的差異?？傮w來(lái)看，基于模板的油箱強(qiáng)度計(jì)算可以較為準(zhǔn)確地反映出油箱各部位的變形量，精度滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。

通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的試用對(duì)比，利用變壓器油箱強(qiáng)度仿真模板進(jìn)行計(jì)算，無(wú)仿真經(jīng)驗(yàn)的變壓器設(shè)計(jì)人員通過(guò)直觀且簡(jiǎn)單的按鈕操作及參數(shù)輸入即可完成分析過(guò)程并生成標(biāo)準(zhǔn)格式的計(jì)算報(bào)告，所花費(fèi)時(shí)間與仿真經(jīng)驗(yàn)豐富的CAE工程師利用模板計(jì)算時(shí)間大致相同，均為3h左右，遠(yuǎn)少于直接利用ANSYS Workbench計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間(約1d)，大大提高了仿真效率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于仿真模板對(duì)變壓器油箱進(jìn)行了建模及強(qiáng)度計(jì)算，可得出以下結(jié)論：

1) 基于ANSYS Workbench開(kāi)發(fā)了包括建模模塊的變壓器油箱強(qiáng)度仿真模板，可以在很短的時(shí)間內(nèi)生成滿足計(jì)算要求的三維模型，大幅縮短了建模時(shí)間，提高了建模效率；

2) 利用仿真模板計(jì)算了變壓器油箱強(qiáng)度，與直接采用有限元軟件計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，節(jié)省了大量的仿真分析前處理時(shí)間，計(jì)算效率提升明顯；

3) 經(jīng)過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比，基于仿真模板的變壓器油箱強(qiáng)度計(jì)算具有足夠的精度，可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，有助于避免產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能的不足之處，從而提高油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。