应力等效线性化对GIS母线壳体的分析

赵艳涛 秦晓宇 张 垒 骆常璐 高振奎

（河南平芝高压开关有限公司，河南 平顶山 467013）

GIS为气体绝缘全封闭组合电器，GIS的主要组成部件有断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线及出线终端，其具有结构紧凑、可靠性高、安装方便等优势，广泛应用于高压、超高压领域。母线壳体则作为GIS主要组成部分，其材料通常为铝合金，内部充有较高的SF6气体，利用SF6的特性提高设备内部绝缘性能［1］。当母线的安装方向需改变时，需要在母线壳体上开孔并焊接支筒体，受制于设备内部绝缘的要求，支筒体直径一般接近或等于母线壳体。在支筒体与壳体的交接部位存在应力集中现象，对于该部位应力的成分、大小及许用判定，在壳体结构设计时尤为重要。

压力容器的设计通常采用传统的计算方法，即规则设计，规则设计的大部分压力容器都是偏于安全［2］，本文采用有限元的分析方法，对GIS 母线壳体进行应力分析。对于应力集中部位进行应力等效线性化处理，再对该部位进行应力许用评定。

1 模型的有限元分析

1.1 模型的基本情况

母线壳体的主筒子内径为335mm，壁厚10.5mm，支筒体1 内径326mm，壁厚8，支筒体2 内径335，壁厚10.5，支筒体1是在主筒子开口拉拔后焊接在主筒体上。支筒体2采用插接焊方式焊接在主筒体上。壳体材料为铝合金管5052-H112。材料特性：弹性模量E=68GPa、泊松比μ=0.33、许用应力Sm=48MPa。

图1 模型的基本情况

1.2 网格划分

模型的结构、载荷均为对称情况，对模型进行对称处理，进分析模型的1/2，以提高运算效率。网格的划分是在ANSYS15.0 环境下进行，模型的网格划分基于Mechanical的物理场进行，壳体共划分606 388个单元，网格划分结果如下图2所示.

图2 有限元模型及网格

1.3 施加载荷及计算结果

对模型的右侧端面进行固定约束，内表面施加0.6MPa的压力。采用第三强度理论（Stress Intensity）进行结果输出，计算结果如下图3所示：

图3 壳体应力强度云图

1.4 应力线性化处理

通过查看计算结果，支筒体1、2 与主筒体交接部位出现应力集中现象，分别对这两处进行应力等效线性化处理。

应力等效线性化路径选取的要求：

①沿壁厚拾取两个端点作为路径，路径需贯穿整个壁厚；

②路径需垂直于贯穿截面的中面。

按照以上方式选择路径，支筒体1等效线性化处理结果如图4所示，支筒体2等效线性化处理结果如图5所示。

2 计算结果分析

2.1 应力的类型及许用极限

依据JB4732规定，各类应力强度的需用极限为：一次总体薄膜应力SⅠ≤Sm，一次局部薄膜应力SⅡ≤1.5Sm，一次薄膜+一次弯曲应力SⅢ≤1.5Sm，一次应力+二次应力SⅣ≤3Sm。结合GIS母线的实际使用工况，设计时不考虑疲劳设计，对于应力集中部位的峰值应力不予考虑。

2.2 模型的强度评定

图4 支筒体1路径及应力结果

图5 支筒体2路径及应力结果

结合应力的计算结果图，对于非应力集中部位的应力值均小于Sm。现对应力集中部位进行强度评定，应力集中部位的路径选择及应力值大小见图4、图5，ANSYS15.0可提取出路径中均分的49处应力值大小及分类。选择49 处中不同类型应力的最大值进行强度评定。由于ANSYS 提取的薄膜应力、弯曲应力及薄膜+弯曲应力并未区分一次、二次应力，处于安全起见，薄膜+弯曲应力也采用1.5Sm 进行许用判定。支筒体1、2 线性化处理的强度评定分别见下表所示：

应力类型薄膜应力SⅡ弯曲应力薄膜+弯曲应力支筒体1路径应力48.17MPa 24.998MPa 59.88MPa支筒体2路径应力32.476MPa 14.044MPa 43.4MPa许用极限1.5Sm=72MPa——3Sm=144MPa

通过上表对比结果可以判定模型满足使用要求。

3 结论

经过对GIS 母线壳体的有限元分析，一般在壳体的支筒体与主筒体根部应力集中明显。对于应力集中部位采用等效应力线性化处理，分解出应力的类型及大小，再采用JB4732进行许用判定。此方法可以为GIS母线的分析设计提供参考。

［1］黎斌.SF6［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［2］李永泰.压力容器分析设计需讨论的若干问题［J］.压力容器，2007，24（2）:45-46.