基于ANSYSWorkbench的油箱整体结构设计优化

摘 要：为了保证油箱结构密封性及长途运输局限性，大件结构整体机械强度尤为重要。通过有限元软件ANSYS Workbench分析正压试验时整体的变形和应力情况，提出最佳设计方案，并与出厂油箱机械强度试验结果对比，检验结构的合理性，同时验证该软件的可行性。该方法有效提高产品设计质量，控制成本，增加经济效益。

关键词：油箱；ANSYS Workbench；机械强度；结构设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.077

1 引言

油箱是油浸电力变压器的重要组成部分之一，作为内、外部零件的载体，其结构机械强度优劣直接影响变压器的运行状态，也可以满足长途运输的需求[1]。随着电压等级和容量的增大，则油箱的设计要求也不尽相同，则外形尺寸变得越来越大。而在实际生产过程中，由于所用材料及工艺水平的差异，控制成本，存在着结构性能不足，出现整体结构薄弱区域，造成试验及运输过程中油箱开裂或过度变形，即箱壁等位置变形量超出试验允许值，降低效益[2]。所以多年来油箱结构优化被受重视，会避免结构性能的不足，大大提高设计质量和产品成本，产生明显的经济效益。

上世纪90 年代以来，变压器行业快速迅猛发展，其需求随之大幅增加。设计者采用经验、类比设计的方法确定油箱结构整体参数。按照GB 1094.1-2013、GB/T 6451-2008及JB/T 501-2006对变压器油箱机械强度的要求[3-5]，油箱不得有损伤和不允许的永久变形，保证严格的密封性。而作者针对公司葡萄牙项目油箱重点讨论，采用有限元分析计算软件ANSYSWorkbench[6-8]来仿真分析变压器油箱在正压试验下的各部位准确的变形值及应力分布状态。最后，将试验数据与仿真结果对比分析，为类似油箱产品结构设计提供理论参考和技术支持，有效降低变压器在生产、运输及安装环节中的成本，优化产业效益。

2 结构线性静力学原理

结构静力学分析计算在固定静载荷作用下结构的响应，计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构响应随时间的变化非常缓慢。本文仿真分析和计算，均是按照油箱所受的载荷为静载荷来处理。则结构线性静力学求解原理示意图如下图1所示。

3 有限元仿真计算

3.1 建立油箱模型

油箱通常分为壳式、桶式和钟罩式油箱，而为了保证油箱满足机械强度要求，为此在油箱箱壁焊有各种形式的加强铁，一般分为板式（扁钢）、槽式（槽钢）及T型钢结构，而板式结构加强铁较其他结构强度较差，易产生大变形及应力集中。根据业主要求及成本控制，该油箱为盒式箱底、板式加强铁、桶式结构。建模过程中，采用专业CAD三维软件Creo，然后导入Workbench的Design Modeler进行修改和完善模型[9]。图2为简化处理改进后的变压器油箱计算模型。

3.2 设置材料属性和组件厚度

油箱箱壁、加强铁等材料为Q235钢板，为弹塑性材料，设置材料双线性等向强化应力应变关系，其应力应变为多折线关系，在计算中采用塑性迭代处理，因此对于油箱应力集中部位的应力计算结果不准确，也就是应力畸点[10]。Q235钢板材料属性参数如下表1所示：

根据公司生产实际、产品设计要求及相关手册确定各组件厚度及油箱整体基本尺寸，如下表2所示：

3.3 网格划分和边界条件设定

利用软件自带网格划分工具，综合用Multizone和Hex dominant等方法划分网格，尽可能划分成六面体网格。网格单元数26万，节点数74万，如图3所示。

正压试验中，设置典型油箱内壁所承受的压强为0.1 MPa为载荷条件，选取油箱内部进行面载荷加载，注意加载过程中的方向均为指向油箱外部。上、下节油箱必须密封良好，油箱平置，边界约束设置下节油箱箱底为固定位移约束。图4为边界约束和载荷条件示意图。

3.4 求解和后处理

采用非线性大应变求解设置，应力采用Von mises等效应力评估，在通用后处理选项中进行结果查看和分析，直观的发现油箱整体薄弱点，按照对强度薄弱和变形过大部位几方面的分析，唯一能够改进的是板式加强铁的加强方式。于是对此采取相应改进优化措施，将原油箱结构最大变形处（高低压侧中心，即板式加强铁间距880mm处）中间加横筋，在保证油箱整体强度的同时，尽可能降低成本。其中，按照国标规定变压器油箱机械强度试验，油箱箱壁不得有损伤和超限的弹性变形，则最大弹性变形要小于2倍的壁厚。则原结构和改进后油箱正压试验时高压侧等效应力和变形对比云图如图5和图6所示。

综合等效应力云图和弹性变形云图，得到两种结构数据对比表，如表3所示。

从等效应力对比云图看出，原油箱结构正压试验时，油箱应力集中区域较大，出现在高低压侧中心处，且油箱整体最大等效应力大于塑弾性材料的屈服极限，改进后油箱除了部分应力畸点，整体受力均匀，未出现严重的应力集中部位，相同部位处等效应力值小于原结构，且远小于材料的许用范围，结果大大改善。

从弹性变形云图可以看出，最大变形出现在高低压侧中心处，区域较大，且变形量远远大于弹性变形的许用值。利用板式加强铁隔断最大变形区域，改进后油箱整体变形明显减小，并未出现大面积变形大的区域，最大变形量小于弹性变形的许用值。综上所述，改进后的油箱整体结构强度良好。

4 结果分析

4.1 油箱机械强度试验

油箱机械强度试验包括抽真空强度和正压机械强度试验，一般在不装器身的单独油箱上进行，而对于特殊结构的油箱，可以在总装车间带器身进行。该油箱在保证无焊接与密封缺陷的条件下，对单独油箱进行机械强度试验。

油箱平稳放置，连接好试验管路和合适量程的压力表或真空表；选择测试点，一般设置在强度比较薄弱、变形量比较大的位置，具体数量根据油箱结构、大小及加强铁数量决定；将每个测试面拉细绳作为测试基准线，真空强度试验后，油箱恢复变形后的测量值为正压试验的初始值。当达到规定的正压试验压力和时间时，用钢板尺测量基准线到各测试点的距离，该数值与初始值之差为为测试点的弹性变形量。如果弹性变形在规定范围内，则油箱的机械强度试验合格；如果超出规定，应对油箱加固，重新进行上述试验。

改进后油箱焊接检验合格、组装完成后，按照以上技术要求和试验方法进行强度试验，试验前根据仿真计算结果分析油箱箱壁强度薄弱点为高压侧板式加强铁间距880mm的部位，设置七处测试点，试验过程中对其进行密切关注。打正压时，当压力值为100KPa左右时，油箱结构没有发现明显弯曲变形和异响声音，解除压力后，停止强度试验，对油箱结构强度变形测量进行分析，最大变形处出现在高压侧最左端板式加强铁间距880mm的中间部位，而加横筋的两个部位变形量较小，高压侧变形试验测试结果如下图7所示。

4.2 结果对比

注：强度标准中，壁厚10mm，位移标准20mm，即为最大弹性变形允许值。

表4 给出了正压试验时油箱变形仿真计算结果和试验测量值，可以看出在分析正压条件下油箱机械强度的过程中，应用有限元仿真计算加载理想载荷时得到的变形略大于正压试验测量结果，考虑了改进油箱的实际尺寸和局限性，其仿真结果与试验结果比较相近，存在较小偏差，并且最大变形区域也相同，满足工程要求。应用有限元仿真分析检验油箱机械强度试验下的整体结构强度，可用于指导结构设计。同时也说明公司在大件结构机械强度计算方面取得了长足的进步。

5 结论

本文中作者对一台海外项目大件结构件变压器油箱的机械强度进行了有限元仿真计算，并与实测结果进行了对比。

（1）应用有限元仿真计算方法检验变压器油箱的整体结构强度，仿真结果与试验结果相符合，具有可行性与准确性。

（2）有限元分析可以在大件结构生产制造之前，通过建立相应的三维简化模型进行求解，进行后处理，分析其在正压试验条件下的总变形量和最大等效应力，发现其中的设计或结构缺陷，避免不必要的成本损失和控制工期，成为许多大型设备制造厂商不可或缺的计算分析软件之一。

（3）由于有限元计算的局限性，及多种因素的影响，结果很难匹配实际情况，但对于不同的制造企业、甚至同一企业下不同的产品种类，也存在着较大的理论和仿真计算偏差。因此需要更多的试验数据去修正以保证软件准确性，用来进行变压器油箱机械强度分析，指导油箱整体结构设计。

参考文献：

[1] 谢毓城.电力变压器手册[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]文子军.浅谈变压器油箱机械强度试验[J].变压器，1999，36（03）：21-24.

[3]GB1094.1-2013.电力变压器第一部分总则[S].国家技术监督局，2013.

[4]GB/T 6451-2008.油浸式电力变压器技术参数和要求[S].国家技术监督局，2013.

[5]JB/T501-2006.电力变压器试验导则[S].中华人民共和国机械行业标准，2006.

[6]张朝晖.ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2010.

[7]李晓峰.ANSYS软件在变压器油箱强度分析中的应用[J].变压器， 2010，47（08）：31-34.

[8]黄丹宇.ANSYS Workbench在变压器结构设计中的应用[J].变压器，2012，49（09）：22-24.

[9]李兵，何正嘉，陈雪峰.ANSYS Workbench设计、仿真与优化[M].北京：清华大学出版社，2012.

[10]杨文，石永久，王元清等.结构钢焊接残余应力三维有限元分析[J].吉林大学学报，2007，37（02）：347-352.

作者简介：姚爱娟（1975-），女，山东昌乐人，本科，工程师，主要从事机械设计、工装设计、工艺设计研究工作。

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