蘇 戈,高振奎,張 凱,李建征,崔軍陽(yáng),聶躍林,李沅格

(1.河南平芝高壓開(kāi)關(guān)有限公司,河南 平頂山 467013)

(2.平高集團(tuán)有限公司,河南 平頂山 467001)

作為電網(wǎng)設(shè)備的關(guān)鍵組成部分,斷路器在維護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。斷路器大多采用高壓SF6氣體作為絕緣介質(zhì),其殼體作為壓力容器,需要長(zhǎng)期承載較高的氣體壓力(0.5 MPa左右),其結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期承壓的能力在斷路器設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮。為滿足殼體局部薄弱部位的強(qiáng)度要求,以往結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)總是盡量增大殼體的整體壁厚以保證其承壓能力,但是這樣既不能有針對(duì)性地降低局部應(yīng)力從而提高整體裕度,又會(huì)增大設(shè)備質(zhì)量及制造成本。

本文以斷路器殼體為研究對(duì)象,針對(duì)高壓斷路器用殼體設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)[1],利用ANSYS Workbench有限元模型對(duì)一體式內(nèi)圓翻邊、鞍形對(duì)接結(jié)合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行分析,根據(jù)分析結(jié)果,提出鞍形內(nèi)圓翻邊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)方案,建立相應(yīng)的ANSYS Workbench有限元模型,對(duì)其應(yīng)力分布情況進(jìn)行仿真分析。然后按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,對(duì)斷路器罐體進(jìn)行水壓破壞試驗(yàn)[2],驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比

上拔口出線的斷路器殼體常用的結(jié)構(gòu)有一體式內(nèi)圓翻邊、鞍形對(duì)接結(jié)合兩種,如圖1所示。

圖1 上拔口出線的斷路器殼體常用結(jié)構(gòu)

通過(guò)解析計(jì)算可知,殼體最薄弱環(huán)節(jié)在拔口處。如圖1所示,一體式內(nèi)圓翻邊結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)一)在斷路器殼體中最為常見(jiàn),由法蘭、支筒體、結(jié)合部、主筒體等組成,拔口由主筒體通過(guò)磨具拉拔產(chǎn)生,其厚度由主筒體厚度決定;而鞍形對(duì)接結(jié)合結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)二),拔口由支筒體通過(guò)磨具拉拔產(chǎn)生,其厚度由主筒體厚度決定。

本文提出的鞍形內(nèi)圓翻邊結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)三)如圖2所示,拔口處為單獨(dú)的一個(gè)零組件,其厚度可根據(jù)實(shí)際強(qiáng)度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 鞍形內(nèi)圓翻邊結(jié)構(gòu)

3種結(jié)構(gòu)殼體的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可知,結(jié)構(gòu)三的殼體拔口厚度可根據(jù)強(qiáng)度要求選擇,加工特性良好,在裕度條件相同的情況下,整體質(zhì)量最小。

表1 3種結(jié)構(gòu)殼體結(jié)構(gòu)對(duì)比

2 仿真計(jì)算對(duì)比分析

2.1 殼體的實(shí)體模型

按實(shí)際尺寸建立殼體模型,3種結(jié)構(gòu)殼體的主要尺寸見(jiàn)表2。

表2 3種結(jié)構(gòu)殼體共用結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二的主要區(qū)別是焊接位置的差異,仿真計(jì)算時(shí)因?qū)缚p進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,兩結(jié)構(gòu)計(jì)算模型相同。結(jié)構(gòu)三相比結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二,其主筒體厚度為12 mm,小于支筒體厚度15 mm;總質(zhì)量565 kg,小于650 kg。為達(dá)到較好的計(jì)算結(jié)果,按實(shí)際尺寸建立結(jié)構(gòu)三的三維計(jì)算模型,如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)三三維計(jì)算模型

2.2 有限元模型及網(wǎng)格劃分

采用“boned”接觸單元類型設(shè)置蓋板和殼體之間的接觸面。殼體材質(zhì)為鋁材5083,許用應(yīng)力為68 MPa,彈性模量為70 GPa,密度為2 710 kg/m3,泊松比為0.33;蓋板材質(zhì)為熱軋鋼板Q235B。

網(wǎng)格劃分[3]時(shí),殼體采用自由劃分,網(wǎng)格類型為Tetrahedrons四面體,利用局部細(xì)化網(wǎng)格的方法,得到網(wǎng)格數(shù)5 300萬(wàn)個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)7 340萬(wàn)個(gè)。

2.3 邊界條件及載荷

根據(jù)實(shí)際工況,固定殼體支腿4個(gè)底面,按照0.68 MPa施加水壓進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)ANSYS Workbench靜力模塊進(jìn)行仿真計(jì)算,得到3種結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力場(chǎng)分布仿真結(jié)果。結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二應(yīng)力分布情況相同,如圖4所示;結(jié)構(gòu)三的應(yīng)力分布情況如圖5所示。3種結(jié)構(gòu)殼體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 3種結(jié)構(gòu)殼體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 單位:MPa

圖4 結(jié)構(gòu)一及結(jié)構(gòu)二殼體應(yīng)力分布圖

圖5 結(jié)構(gòu)三殼體應(yīng)力分布圖

結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二計(jì)算模型一致,其計(jì)算結(jié)果相同。結(jié)合表2、表3可知,在設(shè)計(jì)壓力0.68 MPa下,結(jié)構(gòu)三相較于結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二,主筒體厚度由15 mm減小至12 mm,雖然設(shè)計(jì)裕度降低,但可以達(dá)到68/40=1.7,滿足要求;支筒體裕度因內(nèi)圓翻邊與主筒體存在55 mm的搭接,這部分搭接相當(dāng)于補(bǔ)強(qiáng),其裕度增加,可以達(dá)到3.0,滿足要求。拔口圓角處因搭接部的存在,局部應(yīng)力最大值由89.00 MPa減小至78.89 MPa,其裕度由1.2提高至1.4。

綜上所知,裕度最小部位在拔口處,結(jié)構(gòu)三在拔口處裕度最大。在主筒體厚度設(shè)計(jì)方面,結(jié)構(gòu)三可以根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)加大厚度,變化靈活,可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),有利于降低成本。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 應(yīng)力測(cè)試原理

利用應(yīng)力(應(yīng)變)電測(cè)原理[4]對(duì)該殼體進(jìn)行應(yīng)力采集。斷路器殼體屬于薄壁壓力容器,該結(jié)構(gòu)在支筒體與主筒體相貫位置存在薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力,因此選擇該處為應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)。如圖6所示,分析焊接成型工藝,并根據(jù)應(yīng)力解析結(jié)果,最終選取了8處典型部位。對(duì)每個(gè)部位進(jìn)行X向及Y向的應(yīng)變測(cè)試,計(jì)算其應(yīng)力值,并進(jìn)行校核設(shè)計(jì)。試驗(yàn)姿態(tài)圖如圖7所示。

圖6 測(cè)試點(diǎn)分布圖

圖7 試驗(yàn)姿態(tài)圖

將試驗(yàn)測(cè)得各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)代入式(1),計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)處軸向(X向)及切向(Y向)的應(yīng)力值。

(1)

式中:材料參數(shù)彈性模量E=68 GPa,泊松比μ=0.33。

注意:式(1)適用于彈性變形范圍,應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度后,計(jì)算得到的應(yīng)力數(shù)值并不能反映真實(shí)應(yīng)力水平。

1)應(yīng)變采集(例行壓力)。

水壓試驗(yàn)分升壓和降壓兩個(gè)過(guò)程,分別記錄了0.50、0.55、0.60、0.68、0.73、0.80、0.88、0.97、1.06、1.17、1.28、1.40 MPa時(shí)各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變值(均保壓5 min以上)。根據(jù)GB 7674—2008標(biāo)準(zhǔn)的7.101條規(guī)定[5]:對(duì)于焊接鋁合金殼體,“標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)壓力”為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍,試驗(yàn)期間試品不應(yīng)出現(xiàn)破裂或永久變形,本次試驗(yàn)的殼體設(shè)計(jì)壓力為0.68 MPa,故“標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)壓力”取1.02 MPa。

2)應(yīng)變采集(破壞壓力)。

為進(jìn)一步研究殼體水壓-應(yīng)力關(guān)系,對(duì)殼體進(jìn)行水壓破壞試驗(yàn),根據(jù)GB 7674—2008標(biāo)準(zhǔn)的6.103條規(guī)定:試驗(yàn)壓力=2.3/υ×設(shè)計(jì)壓力,即3倍的設(shè)計(jì)壓力,其中υ為焊接效應(yīng)系數(shù)。繼續(xù)以1.1倍步長(zhǎng)提高水壓,水壓至1.70 MPa時(shí)進(jìn)入塑性變形,此時(shí)水壓約為設(shè)計(jì)壓力的2.5倍,最終升壓至2.78 MPa左右(約為設(shè)計(jì)壓力的4倍),殼體破裂。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在例行水壓階段,水壓由0.50 MPa升至1.02 MPa過(guò)程中,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的變化情況如圖8所示。由圖8可知,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力大小與水壓大小呈線性正相關(guān),表明此過(guò)程中殼體處于彈性變形階段,未產(chǎn)生屈服或永久變形[6]。其中位置1、位置2為應(yīng)力最大值處,與仿真解析結(jié)果相吻合。水壓繼續(xù)增大至1.70 MPa左右時(shí),各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均處于彈性變形階段,壓力繼續(xù)增大,監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2出現(xiàn)較大塑性變形,直到2.78 MPa殼體破裂。破裂位置在測(cè)量點(diǎn)1,與仿真解析最大值位置相吻合。

圖8 殼體應(yīng)變與水壓關(guān)系曲線

在例行水壓階段,水壓由0.50 MPa升至1.02 MPa過(guò)程中,結(jié)構(gòu)一與結(jié)構(gòu)三兩種殼體最薄弱位置1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值隨水壓變化的曲線如圖9所示。

圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1應(yīng)變值隨水壓變化的曲線

由圖9可知,在水壓增大至例行水壓1.02 MPa的過(guò)程中,兩種結(jié)構(gòu)1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值與壓力值均呈線性變化,且結(jié)構(gòu)三的應(yīng)變值略小于結(jié)構(gòu)一的應(yīng)變值,證明在該階段,結(jié)構(gòu)三裕度值大于結(jié)構(gòu)一。在水壓由1.02 MPa增加至2.04 MPa的過(guò)程中,在1.70 MPa左右,應(yīng)變與壓力值之間出現(xiàn)非線性變化,即發(fā)生了塑性變形[7],此時(shí)結(jié)構(gòu)三的應(yīng)變依然小于結(jié)構(gòu)一,說(shuō)明結(jié)構(gòu)三裕度值大于結(jié)構(gòu)一。當(dāng)水壓大于2.04 MPa時(shí),兩種結(jié)構(gòu)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處均出現(xiàn)塑性變形,同等壓力下,其應(yīng)變值相當(dāng)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)三在殼體許用壓力(<破壞壓力2.04 MPa)范圍內(nèi),其裕度更大,更具有安全性。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)比分析現(xiàn)有一體式內(nèi)圓翻邊、鞍形對(duì)接結(jié)合結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),提出一種鞍形內(nèi)圓翻邊的殼體結(jié)構(gòu)。通過(guò)仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證得到以下結(jié)論:

1)鞍形內(nèi)圓翻邊殼體結(jié)構(gòu)具有拔口厚度可調(diào)節(jié),裕度范圍大,加工工藝優(yōu)良,整體質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn),可為后續(xù)殼體的小型化、精細(xì)化設(shè)計(jì)提供參考。

2)仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)基本吻合,相互驗(yàn)證,為后續(xù)GIS設(shè)備相關(guān)焊接殼體的設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。