王新兵，趙永志，胥建文，徐蓮環(huán)，宋文翠

（1.山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250011；2．山東電工電氣集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250001）

變壓器油箱規(guī)則結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

王新兵1，趙永志2，胥建文1，徐蓮環(huán)1，宋文翠1

（1.山東電力設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250011；2．山東電工電氣集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250001）

針對(duì)常規(guī)規(guī)則油箱強(qiáng)度不足或過(guò)剩的問(wèn)題，通過(guò)有限元軟件對(duì)油箱抽真空試驗(yàn)時(shí)的變形情況進(jìn)行計(jì)算分析，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果顯示仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較接近。該方法適合生產(chǎn)質(zhì)量控制，基本滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求。尤其對(duì)于規(guī)則油箱，無(wú)論長(zhǎng)短軸側(cè)，合理布置加強(qiáng)鐵至關(guān)重要。同時(shí)提出規(guī)則油箱的最佳設(shè)計(jì)方案，檢驗(yàn)了結(jié)構(gòu)合理性和軟件實(shí)用性，有效地提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，控制成本，增加公司經(jīng)濟(jì)效益。

油箱；有限元仿真；試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

作為變壓器重要的外部組件，油箱是油浸式電力變壓器的重要組成部分之一，在變壓器中起著盛油容器、結(jié)構(gòu)骨架和散熱等作用。施加載荷的復(fù)雜多樣性，直接影響整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，從而關(guān)系到變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，其中正負(fù)壓試驗(yàn)載荷最為嚴(yán)重。變壓器油箱合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和選材決定加工工藝，是保證油箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的首要條件，電壓等級(jí)和容量的不同，則油箱的設(shè)計(jì)要求也不盡相同［1］。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于各制造廠家所用材料及工藝水平的差異，同電壓同容量的油箱設(shè)計(jì)方法不同，也存在著不同的油箱結(jié)構(gòu)。鑒于材料成本，存在著結(jié)構(gòu)性能不足，造成試驗(yàn)過(guò)程中油箱開(kāi)裂或過(guò)度變形。若結(jié)構(gòu)過(guò)剩會(huì)增加產(chǎn)品成本，降低生產(chǎn)效益，所以多年來(lái)油箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化備受重視，避免油箱強(qiáng)度薄弱和過(guò)剩，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量和產(chǎn)品成本，將會(huì)產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，變壓器行業(yè)快速迅猛發(fā)展，需求也隨之大幅增加。各廠家通常從安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保角度出發(fā)，采用經(jīng)驗(yàn)、類(lèi)比設(shè)計(jì)的方法確定油箱結(jié)構(gòu)整體參數(shù)，油箱組件加工裝配，成品完成后，根據(jù) GB 1094.1—2013、GB／T 6451—2008 及 JB／T 501—2006對(duì)變壓器油箱機(jī)械強(qiáng)度的要求，進(jìn)行油箱抽真空注油的負(fù)壓力和運(yùn)行中的正壓試驗(yàn)，油箱不得有嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷和不允許的彈性變形。而作者針對(duì)常規(guī)變壓器鐘罩式油箱重點(diǎn)討論，采用有限元仿真計(jì)算分析變壓器油箱在抽真空試驗(yàn)下的各部位準(zhǔn)確的變形分布狀態(tài)［2-3］。將仿真結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，為類(lèi)似油箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考和技術(shù)支持，有效降低變壓器在生產(chǎn)、運(yùn)輸及裝配環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的成本浪費(fèi)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)效益。

1 結(jié)構(gòu)線(xiàn)性靜力學(xué)原理

在結(jié)構(gòu)線(xiàn)性靜力學(xué)分析中，力與時(shí)間無(wú)關(guān)，因此位移x可由下面的矩陣方程解出，則結(jié)構(gòu)靜力學(xué)通用方程：K·x=F。其中，K為剛度系數(shù)矩陣，x為位移矢量，F(xiàn)為力矢量，根據(jù)相應(yīng)的強(qiáng)度理論來(lái)判斷結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足強(qiáng)度。

假設(shè)K為一常量矩陣且必須是連續(xù)的，材料必須滿(mǎn)足線(xiàn)彈性小變形理論，邊界條件允許包含非線(xiàn)性的邊界條件，F(xiàn)為加載到模型上的靜載力，不隨時(shí)間變化［4］。而當(dāng)考慮到運(yùn)輸過(guò)程中沖擊力和運(yùn)行過(guò)程中地震力沖擊時(shí)應(yīng)按動(dòng)載荷考慮。結(jié)構(gòu)線(xiàn)性靜力學(xué)原理流程如圖1所示。

圖1 靜力學(xué)分析原理

本文仿真分析和計(jì)算，均是按照油箱正負(fù)壓試驗(yàn)所受的載荷為靜載荷來(lái)處理。而有限元分析中的靜載荷即為試驗(yàn)壓力。表1列出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試驗(yàn)壓力的規(guī)定。

一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)方案過(guò)程中，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下，變壓器油箱性能可靠性均能通過(guò)油箱耐壓試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)。重點(diǎn)進(jìn)行變壓器油箱抽真空試驗(yàn)狀態(tài)下的剛度校核。若有過(guò)大的變形量，則會(huì)影響變壓器的穩(wěn)定性，造成失穩(wěn)。表2給出了變壓器油箱抽真空試驗(yàn)時(shí)允許最大變形量控制范圍。

表1 各電壓等級(jí)油箱試驗(yàn)時(shí)真空度要求

表2 抽真空試驗(yàn)時(shí)允許最大變形量控制范圍

2 仿真分析

由于油箱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和形式多樣性，設(shè)計(jì)者進(jìn)行基本力學(xué)性能分析計(jì)算比較困難，采用準(zhǔn)確、有效、統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)公式分析誤差較大。但實(shí)際上油箱是由箱壁鋼板和橫豎布置的槽式加強(qiáng)鐵組成的，所以一般在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)仿真分析和最終試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、修正，盡可能得出滿(mǎn)足基本工程實(shí)踐的計(jì)算分析方法。在工程實(shí)際中，對(duì)于規(guī)則油箱整體多采用有限元計(jì)算法進(jìn)行分析。而箱壁有多處開(kāi)孔使得仿真模型與實(shí)際模型有較大差距，計(jì)算也存在較大誤差。通過(guò)將開(kāi)孔處設(shè)置臨時(shí)蓋板或者重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域按實(shí)際模型建模，均可降低計(jì)算誤差。

2.1 材料屬性

油箱箱壁、加強(qiáng)鐵等材料為 Q235低碳鋼［5］，是彈塑性材料，設(shè)置材料雙線(xiàn)性等向強(qiáng)化應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，其應(yīng)力應(yīng)變?yōu)槎嗾劬€(xiàn)關(guān)系，在計(jì)算中采用塑性迭代處理，而低碳鋼拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示。

由σ-ε關(guān)系圖可知，整個(gè)階段可分為4個(gè)區(qū)域，后3個(gè)區(qū)域統(tǒng)稱(chēng)為塑性區(qū)。σp稱(chēng)為彈性極限，可分為線(xiàn)性區(qū)和非線(xiàn)性區(qū)；σs稱(chēng)為屈服極限，Q235鋼的屈服極限大約為235 MPa；σb稱(chēng)為強(qiáng)度極限，是材料所能承受的最大應(yīng)力；Q點(diǎn)為鋼件的斷裂點(diǎn)，使該區(qū)段出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象。Q235低碳鋼板主要材料屬性參數(shù)如表3所示。

圖2 低碳鋼拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

表3 材料屬性參數(shù)

2.2 仿真計(jì)算

有限元法廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)的許多領(lǐng)域，基本原理為將物體離散成相互聯(lián)結(jié)的單元組合，將連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題簡(jiǎn)化為離散的有限自由度問(wèn)題，離散后，對(duì)各個(gè)單元分析，推導(dǎo)出作用力方程，組成整個(gè)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)方程進(jìn)行求解。

而對(duì)于油箱力學(xué)性能的有限元靜力分析，基于材料是連續(xù)、均質(zhì)、各向同性基本假設(shè)。在仿真計(jì)算中，應(yīng)力不如變形仿真計(jì)算值準(zhǔn)確，其主要原因是前者受邊界條件設(shè)置、開(kāi)孔及蓋板處理等局部區(qū)域模型簡(jiǎn)化的影響較大。但這種影響都限制在局部范圍內(nèi)，容易造成應(yīng)力畸點(diǎn)，但對(duì)均勻應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的影響不大［6］。所以本文仿真重點(diǎn)考核油箱抽真空試驗(yàn)時(shí)的變形量，根據(jù)結(jié)構(gòu)線(xiàn)性靜力學(xué)原理，變壓器油箱有限元設(shè)計(jì)改進(jìn)流程如圖3所示。

圖3 油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

2.2.1 建立油箱模型

建模過(guò)程中，簡(jiǎn)化模型，忽略吊攀、千斤頂及聯(lián)管接頭等，保留加強(qiáng)鐵及箱沿等典型結(jié)構(gòu)，減小網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)約計(jì)算時(shí)間。整體結(jié)構(gòu)采用單個(gè)零件模型來(lái)建立，所有零部件之間的連接均采用綁定（Bonded）處理。圖4為簡(jiǎn)化處理后的變壓器油箱計(jì)算模型。

圖4 計(jì)算模型

2.2.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定

軟件自帶網(wǎng)格劃分工具為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)大約28萬(wàn)。油箱抽真空試驗(yàn)中，常規(guī)油箱工藝要求真空度為133 Pa，而有限元分析中的載荷為試驗(yàn)壓力，油箱內(nèi)壁所承受的壓強(qiáng)為0.101 192 MPa，將載荷均勻施加在油箱內(nèi)壁所有面，方向向內(nèi)，上、下節(jié)油箱必須密封良好，油箱平置，設(shè)置下節(jié)油箱箱底為固定位移約束。固定位移約束和載荷施加示意如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格剖分、設(shè)定邊界條件和載荷施加

2.2.3 結(jié)果分析

油箱結(jié)構(gòu)性能優(yōu)劣的影響因素很多，比如自身結(jié)構(gòu)、材料本身、加工工藝及加強(qiáng)鐵的規(guī)格等［7］。通過(guò)求解和后處理，得到油箱整體的變形分布如圖6所示。

圖6 整體變形分布云圖

由圖6可以看出，變壓器油箱規(guī)則結(jié)構(gòu)采用平板式箱蓋，其加工工藝較為簡(jiǎn)單，焊接處較少，為了達(dá)到相應(yīng)的剛度要求，在設(shè)計(jì)過(guò)程中一般會(huì)選擇在箱蓋上適當(dāng)位置增加板式加強(qiáng)鐵予以加固，從而控制變形量，但大容量高電壓變壓器油箱箱蓋目前大部分采用折彎型鋼板，剛度較好，還可以減小變壓器油用量和控制運(yùn)輸高度限制。大部分油箱抽真空試驗(yàn)時(shí)具有上定位和防塌墊塊作為限位支撐，防止箱蓋變形過(guò)大。但有限元方法無(wú)法設(shè)置限位支撐，只能設(shè)置直接位移支撐或者無(wú)支撐，誤差較大［8］。對(duì)于大型變壓器油箱抽真空試驗(yàn)時(shí)，仿真中通常會(huì)在油箱內(nèi)部防塌墊塊處設(shè)置簡(jiǎn)易支撐工裝撐住箱蓋，其中支撐桿質(zhì)量忽略，減小仿真分析誤差。

而此結(jié)構(gòu)油箱箱壁變形量較大區(qū)域均集中在開(kāi)關(guān)側(cè)端部，通常情況下，變壓器油箱端部加強(qiáng)鐵一般布置在中間位置附近，用來(lái)保證端部的剛度要求。箱壁其他位置和加強(qiáng)鐵的變形量均較小，選取高壓側(cè)和部分加強(qiáng)鐵變形云圖，如圖7所示。確定選取足夠數(shù)量的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行變形量標(biāo)注，以供后續(xù)試驗(yàn)參考。

圖7 不同部位變形分布云圖

油箱抽真空試驗(yàn)時(shí)變形量仿真分析結(jié)果如表4所示。由表中數(shù)據(jù)可知，強(qiáng)度滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的同時(shí)，油箱箱壁和加強(qiáng)鐵變形量不超過(guò)試驗(yàn)允許值，即剛度足夠。通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果的變形量與規(guī)定值即可得到剛度的安全系數(shù)。

表4 油箱各部位最大變形量仿真分析結(jié)果

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

JB／T 501—2006規(guī)范的油箱強(qiáng)度試驗(yàn)很關(guān)鍵，通過(guò)油箱強(qiáng)度試驗(yàn)檢定油箱強(qiáng)度是否符合標(biāo)準(zhǔn)［9］。本臺(tái)產(chǎn)品為公司油箱降成本結(jié)構(gòu)改進(jìn)產(chǎn)品，嚴(yán)格按照公司抽真空試驗(yàn)工藝要求，充分對(duì)其進(jìn)行了油箱試漏、密封等試驗(yàn)，在工具準(zhǔn)備充分后，開(kāi)始進(jìn)行抽真空試驗(yàn)，其中所用試驗(yàn)設(shè)備如圖8所示，圖中紅色數(shù)字對(duì)應(yīng)試驗(yàn)過(guò)程的1）～5）步，即為試驗(yàn)前期工作。

圖8 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)前期工作

試驗(yàn)前：1）初步檢查真空機(jī)組、空壓機(jī)及其管路密封良好。

2）將油箱底部固定到工作平臺(tái)上，保證箱底和工作臺(tái)在試驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)生位移變化。

3）從入孔門(mén)進(jìn)入，在防塌墊塊位置將內(nèi)部模擬器身定位用支撐工裝放入油箱內(nèi)部，將油箱本體及升高座安裝密封好，上下節(jié)箱沿采用定位銷(xiāo)固定。

4）在油箱高壓側(cè)及開(kāi)關(guān)側(cè)固定標(biāo)志線(xiàn)，豎直穩(wěn)定用于定位標(biāo)識(shí)，高度方向上設(shè)置在油箱壁中部位置，在明顯位置設(shè)置防護(hù)警示牌警告嚴(yán)禁觸動(dòng)標(biāo)志線(xiàn)。

5）布置高壓側(cè)和開(kāi)關(guān)側(cè)測(cè)量點(diǎn)，按照相關(guān)要求在相應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置粘貼應(yīng)變片，測(cè)量標(biāo)志線(xiàn)到油箱測(cè)量點(diǎn)的原始距離，作為初始數(shù)據(jù)記錄，其測(cè)點(diǎn)位置如圖9所示。

Comprehensive Calculation Analysis on Regular Structure of Transformer Tank

WANG Xinbing1，ZHAO Yongzhi2，XU Jianwen1，XU Lianhuan1，SONG Wencui1
（1.Shandong Power Equipment Co.，Ltd.，Jinan 250011，China；2.Shandong Electrician Electric Group Co.，Ltd.，Jinan 250001，China）

In order to solve the problem of deficient or excessive strength of conventional regular tank，the tank deformation is calculated and analyzed under the vacuum test condition by the finite-element software and compared with the test data.Research results demonstrate that the finite element simulation results are in accordance with the test ones.It proves that this method is suitable for quality control with good compliance to the practical engineering requirements.At the same time，optimal design scheme of regular tank is put forward to checkout structure rationality and software practicability.Especially for regular tank，regardless whether the long or short side，the reasonable distribution of strengthen iron is crucial.This method is beneficial for improving the product design quality and cost control，promoting company’s economic efficiency.

tank；finite element simulation；test；structure design

TM403.9

B

1007－9904（2017）12－0050－06

國(guó)家電網(wǎng)總部管理科技項(xiàng)目（WNZ151-0018）