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(duì)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(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，而模態(tài)分析是一切振動(dòng)分析的基礎(chǔ)。本文在實(shí)體單元力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，利用建立的簡(jiǎn)化模型來(lái)模擬變壓器油箱和內(nèi)部器身。用有限元軟件分別對(duì)帶器身和用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬器身兩種模型進(jìn)行了模態(tài)仿真計(jì)算，并提取了前20階自振頻率，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比分析。

變壓器有限元模態(tài)質(zhì)量點(diǎn)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(dòng)特性，主要包括自振頻率和振型，是結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)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(jì)承受動(dòng)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(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，其設(shè)計(jì)可靠性直接影響到變壓器的安全運(yùn)行。根據(jù)變壓器設(shè)計(jì)要求，變壓器的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)符合相應(yīng)地區(qū)地震烈度要求，確保其設(shè)計(jì)的可靠性，因此對(duì)其模態(tài)進(jìn)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(diǎn)單元來(lái)模擬器身進(jìn)行建模計(jì)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(jiǎn)化模型來(lái)模擬變壓器油箱及其內(nèi)部器身，分別對(duì)帶器身和用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬器身兩種模型的模態(tài)進(jìn)行了仿真計(jì)算并提取了前20階自振頻率，并對(duì)振動(dòng)頻率進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比分析。[4]

1　有限元模型的建立

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

1.1實(shí)體模型

圖1　簡(jiǎn)化的變壓器油箱模型

利用3D軟件建立一個(gè)簡(jiǎn)化模型來(lái)模擬變壓器油箱和其內(nèi)部器身。油箱尺寸為長(zhǎng)1 000 mm，寬500 mm，高1 000 mm，厚度20 mm；器身尺寸為長(zhǎng)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(jiǎn)化的實(shí)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(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分過(guò)程包括三個(gè)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(jiǎn)化模型形狀比較規(guī)則，采用六面體單元和四面體單元?jiǎng)澐謱?shí)體。整理好的變壓器油箱有限元簡(jiǎn)化模型如圖2和圖3所示。

1.3材料屬性

該簡(jiǎn)化的變壓器油箱及其器身模型所用到的材料按照實(shí)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(shí)，施加在模型上的邊界條件應(yīng)該盡量與實(shí)際情況相吻合。本文進(jìn)行的是模態(tài)分析對(duì)比，無(wú)需施加外部載荷，兩種模型下僅需對(duì)簡(jiǎn)化的變壓器油箱底部進(jìn)行全自由度約束。

2　求解、提取計(jì)算結(jié)果

在模態(tài)計(jì)算中本文設(shè)置了20階，分別對(duì)帶器身和用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬器身兩種簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了仿真計(jì)算，并提取了前20階頻率。

其中用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬器身進(jìn)行計(jì)算時(shí)，質(zhì)量點(diǎn)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(diǎn)單元模擬器身時(shí)，其質(zhì)量點(diǎn)位置分別施加在器身重心和底面中心時(shí)提取的前20階頻率分別如表2和表3所示。

表2質(zhì)量點(diǎn)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(diǎn)施加在底面中心位置的前20階頻率/Hz

3　總結(jié)分析

對(duì)比上表1，2，3前20階的頻率可以看出對(duì)簡(jiǎn)化模型帶器身和用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬器身兩種情況下分別進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，其計(jì)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(jì)算中可以用質(zhì)量點(diǎn)單元來(lái)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(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，重量比較大，在用有限元進(jìn)行模態(tài)計(jì)算時(shí)，用質(zhì)量點(diǎn)單元模擬器身的計(jì)算結(jié)果和帶實(shí)際器身時(shí)的計(jì)算結(jié)果可能有所差別，本文得出的對(duì)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(bào)(自然科學(xué)版),2005,23(1):81-84.

[2]張巖，等.中國(guó)ANSYS Workbench 15.0 有限元分析從入門(mén)到精通[M].北京:機(jī)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(shí)例指導(dǎo)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008:173-175.

[4]陳斗.變壓器結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究[J].機(jī)電技術(shù),2010,33(4):49-50.

[6]陳斗.線路電抗器靜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及振動(dòng)模態(tài)有限元分析[J].變壓器，2011，48(4)：22-25.

[7]趙文祥，齊桂芬，宋秀生.PrO/MECHANICA在變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].變壓器，2010，47(11)：19-20.

[8]邊炳傳，隋允康，韓玉梅.兩種小型變壓器油箱的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].變壓器，2006，43(11)：10-15.

[9]王超，許平，黃明高.基于ANSYS的電氣柜體強(qiáng)度與模態(tài)分析[J].機(jī)電工程，2007，24(7)：26-28

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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(tái)人，工學(xué)學(xué)士，從事大型變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2016-01-18