基于Workbench的防塵棚軌道梁的靜力學分析*

李 偉,劉 剛,聶海鵬

(山東泰開高壓開關有限公司,山東 泰安 271000)

0 引 言

在智能電網建設背景下,間歇式能源大量接入電網,使得電網的規模日趨增大,電網的區域互聯性也不斷增強,而更加復雜的電網結構以及用戶的雙向互動需求都對電力系統變電設備的安全穩定運行提出了更高的要求。為此,很多電力單位開始采用穩定性更強的GIS設備。GIS全稱為氣體絕緣全封閉組合電器,GIS具有占地少、安全性能高、環境影響小、使用維護方便等諸多優點,因此被廣泛用于各電壓等級變電站。GIS由斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成,這些設備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中,在其內部充有一定壓力的絕緣氣體;復雜的結構使得GIS在安裝時對空氣潔凈度、相對濕度及安裝精度的要求很高。然而,GIS安裝現場大多環境惡劣,過往車輛多、揚塵大,安裝環境很難管控,因而容易出現故障。根據規程要求,GIS檢修環境應達到以下標準:①灰塵顆粒度在100萬個/m3及以下;②密閉空間內溫度恒定在10 ℃以上;③濕度在80%以下;④所采取防塵措施要具備承受五級風環境的良好支撐能力;⑤密封良好,能保持以上指標等。鑒于GIS設備的模塊化設計,現場布置靈活方便及免維護等特點,GIS設備已成為目前變電站高、中壓等級電能傳輸的主要電氣設備。GIS設備的安裝質量是保證電網可靠安全運行的關鍵因素。GIS設備安裝施工過程中,空氣中的塵土顆粒等雜質對GIS的安裝質量會產生影響,具有空氣凈化功能、環境監測功能的防塵棚的使用可防止空氣中微塵對GIS設備安裝質量的影響。

由此可見,為更好地完成GIS設備現場檢修工作,并達到必要的工藝要求,必須實現現場安裝及檢修,防塵棚的應用可使GIS設備的安裝及檢修工作順利開展[1]。防塵棚主要由主體鋼結構框架、風淋室、硬化地面、風機、空氣除塵設備、塑料薄膜、空調等組成。主體鋼結構框架安裝在硬化地面上,塑料薄膜覆蓋在主體鋼結構的頂部及側面位置,主體鋼結構框架的側面進出口處設置風淋室,風機通過管路連接空氣除塵干燥設備和主體鋼結構框架的內部空間,主體鋼結構框架與底部軌道間通過滾輪可自由移動,滿足不同位置、不同對接面的對接工作,實現了GIS的全天候安裝,有效提高了GIS安裝效率,大大縮短現場施工時間。防塵棚內還設置溫濕度和粉塵度測試儀以進行實時監測,一旦環境無法滿足安裝要求,現場可立即采取改善措施,保證GIS安裝的可靠性。

筆者重點對防塵棚軌道梁的有限元仿真計算、理論計算進行驗證討論。采用Ansys workbench有限元分析軟件對防塵棚關鍵部位軌道梁進行強度分析模擬計算,并與模型簡化等效后的理論計算進行對比分析,對比分析結果可為防塵棚的整體設計與制造提供理論依據。

1 防塵棚軌道梁的受力分析計算

首先對模型進行分析簡化,由防塵棚三維圖可知:軌道梁總長9 540 mm,均布有3個支架支撐,3個支撐對軌道梁的反作用力分別為F1、F2、F3。軌道梁上部為行車滾輪,滾輪間距1 500 mm,行車在第2個與第3個支撐中間時,行車對軌道梁的壓力簡化為集中力F。得到防塵棚軌道梁的分析模型如圖1所示。

圖1 軌道梁受力分析簡化模型

行車在防塵棚一側時,所吊重物10 000 kg,行車自重5 000 kg,g=9.8 m/s2,F=147 kN。許用應力[σ]=160 MPa。

根據圖1 可列平衡方程:

F1+F2+F3-F=0

(1)

F2×4.77+F3×9.54-F×7.155=0

(2)

根據變形協調方程可知:

y2=y21+y22=0

(3)

(4)

(5)

求解得:

F1=-14.6 kN,F2=102.7 kN,F3=58.9 kN。

對簡化模型分三段(A-A,B-B,C-C)進行剪力和彎矩計算,并繪制剪力和彎矩圖,如圖2、3所示。

圖2 剪力圖

由圖3可知,Mmax在集中力F處,此處截面為危險截面,其上的彎矩值為:Mmax=139.64×106N·mm。

圖3 彎矩圖

軌道梁慣性截面:

(6)

軌道梁最大彎曲正應力:

(7)

在力F作用下的撓度為:

(8)

防塵棚行車軌道梁選用的型鋼材料為:H型鋼482×300×11×15/Q235B。

忽略行車底部截面較小的導軌,將數據代入截面慣性矩公式可得:I=1.68×10-3m4。

將上述數值代入公式(8)得到在F作用下的變形量:y=1.063×10-3m。

通過上述計算可知,軌道梁最大彎曲正應力為54.76 MPa,遠小于H型鋼材料的許用彎曲應力158 MPa, 軌道梁最大位移變形量1.06 mm。此規格的H型鋼可滿足強度要求。

2 建立防塵棚三維模型

文章所用分析模型采用SolidWorks三維軟件進行建立,創建模型時為減少網格數量,節省計算時間,在不影響最終結果的前提下,對模型進行簡化處理,對防塵棚內部保溫板,外部封板、斜拉角鋼及頂部封板等進行簡化[2],防塵棚框架模型如圖4所示。

圖4 防塵棚框架模型

3 Workbench強度分析計算

Ansys Workbench可實現與其他主流CAD軟件間數據的無縫連接,可將復雜的三維模型導入分析系統中進行參數設置及載荷施加,最后通過內置求解器進線分析計算[3]。

(1) 定義參數。由于分析對象是軌道梁部件,故單元選擇10節點四面體三維實體單元,單元類型Solid187,彈性模量2.1×105MPa,泊松比為0.3。

(2) 網格劃分。將上述SolidWorks創建的三維實體模型導入Workbench中,由于計算機硬件條件的限制,文中網格劃分采用自動網格劃分[4],在mesh菜單下將element size設置為40 mm,然后對軌道梁進行局部網格細化,并在有限的計算機硬件的條件下提高計算結果的精確度,最終得到整個框架的網格,如圖5所示。

圖5 防塵棚框架網格模型

(3) 定義邊界條件。對六根豎撐的底部進行固定約束,整個框架接觸設定為綁定接觸,考慮行車自重5 000 kg,吊裝的間隔重量約10 000 kg,當行車橫向運動至防塵棚最左邊或最右邊,縱向運動至兩支撐座中間時,此時軌道梁受力位移變形最大,以此種工況進行靜力學分析。

(4) 求解。經加載求解,得出防塵棚框架的Von Mises等效應力云圖和位移云圖如圖6、7所示。Ansys Workbench中應力應變結果云圖中的顏色越深表示應力和應變量越大。

圖6 兩跨之間受力最大時的應力云圖 圖7 兩跨之間受力最大時的位移云圖

從應力云圖可以看出,最大應力出現在軌道梁的兩跨之間的中間位置,最大應力值為54.97 MPa,與理論計算最大彎曲正應力54.76 MPa基本一致,小于材料的許用應力;從位移云圖可以看出,軌道梁中間位置的變形最大約1.46 mm,桁架變形最大約0.76 mm,頂梁變形最大約1.13 mm,立柱變形最大約1.14mm,其余部位變形均小于1 mm。與理論計算最大變形量1.06 mm基本一致。采用的H型鋼裕度較大,可適當減小H型鋼的截面尺寸。

4 結 語

文中闡述了防塵棚及軌道梁從實體建模到有限元分析求解靜力學特征的完整過程。利用Ansys18.0分析軟件中的Ansys Workbench對防塵棚及軌道梁進行了靜力學仿真分析,比較詳細地介紹了實體建模及整個分析過程[5-6],得到防塵棚軌道梁的最大應力值及最大應變量,同時對模型進行分析簡化,通過平衡方程及變形協調方程進行剪力和彎矩計算,繪制剪力和彎矩圖,通過計算最后得到最大彎曲正應力及最大位移變形量,與有限元分析軟件計算分析結果進行對比分析。研究分析結果表明:通過計算得到的軌道梁最大彎曲正應力為54.76 MPa,遠小于H型鋼材料的許用彎曲應力158 MPa, 軌道梁最大位移變形量1.06 mm。此規格的H型鋼可滿足強度要求。有限元數值模擬計算與理論計算結果基本一致,說明Ansys Workbench仿真分析軟件對軌道梁的分析計算是有效的。研究結果可為防塵棚的整體設計與制造提供理論依據。CAE分析技術有助于提高防塵棚的設計水平,縮短設計周期,減少產品的開發成本。