基于Workbench的防尘棚轨道梁的静力学分析*

李 伟,刘 刚,聂海鹏

(山东泰开高压开关有限公司,山东 泰安 271000)

0 引 言

在智能电网建设背景下,间歇式能源大量接入电网,使得电网的规模日趋增大,电网的区域互联性也不断增强,而更加复杂的电网结构以及用户的双向互动需求都对电力系统变电设备的安全稳定运行提出了更高的要求。为此,很多电力单位开始采用稳定性更强的GIS设备。GIS全称为气体绝缘全封闭组合电器,GIS具有占地少、安全性能高、环境影响小、使用维护方便等诸多优点,因此被广泛用于各电压等级变电站。GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成,这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中,在其内部充有一定压力的绝缘气体;复杂的结构使得GIS在安装时对空气洁净度、相对湿度及安装精度的要求很高。然而,GIS安装现场大多环境恶劣,过往车辆多、扬尘大,安装环境很难管控,因而容易出现故障。根据规程要求,GIS检修环境应达到以下标准:①灰尘颗粒度在100万个/m3及以下;②密闭空间内温度恒定在10 ℃以上;③湿度在80%以下;④所采取防尘措施要具备承受五级风环境的良好支撑能力;⑤密封良好,能保持以上指标等。鉴于GIS设备的模块化设计,现场布置灵活方便及免维护等特点,GIS设备已成为目前变电站高、中压等级电能传输的主要电气设备。GIS设备的安装质量是保证电网可靠安全运行的关键因素。GIS设备安装施工过程中,空气中的尘土颗粒等杂质对GIS的安装质量会产生影响,具有空气净化功能、环境监测功能的防尘棚的使用可防止空气中微尘对GIS设备安装质量的影响。

由此可见,为更好地完成GIS设备现场检修工作,并达到必要的工艺要求,必须实现现场安装及检修,防尘棚的应用可使GIS设备的安装及检修工作顺利开展[1]。防尘棚主要由主体钢结构框架、风淋室、硬化地面、风机、空气除尘设备、塑料薄膜、空调等组成。主体钢结构框架安装在硬化地面上,塑料薄膜覆盖在主体钢结构的顶部及侧面位置,主体钢结构框架的侧面进出口处设置风淋室,风机通过管路连接空气除尘干燥设备和主体钢结构框架的内部空间,主体钢结构框架与底部轨道间通过滚轮可自由移动,满足不同位置、不同对接面的对接工作,实现了GIS的全天候安装,有效提高了GIS安装效率,大大缩短现场施工时间。防尘棚内还设置温湿度和粉尘度测试仪以进行实时监测,一旦环境无法满足安装要求,现场可立即采取改善措施,保证GIS安装的可靠性。

笔者重点对防尘棚轨道梁的有限元仿真计算、理论计算进行验证讨论。采用Ansys workbench有限元分析软件对防尘棚关键部位轨道梁进行强度分析模拟计算,并与模型简化等效后的理论计算进行对比分析,对比分析结果可为防尘棚的整体设计与制造提供理论依据。

1 防尘棚轨道梁的受力分析计算

首先对模型进行分析简化,由防尘棚三维图可知:轨道梁总长9 540 mm,均布有3个支架支撑,3个支撑对轨道梁的反作用力分别为F1、F2、F3。轨道梁上部为行车滚轮,滚轮间距1 500 mm,行车在第2个与第3个支撑中间时,行车对轨道梁的压力简化为集中力F。得到防尘棚轨道梁的分析模型如图1所示。

图1 轨道梁受力分析简化模型

行车在防尘棚一侧时,所吊重物10 000 kg,行车自重5 000 kg,g=9.8 m/s2,F=147 kN。许用应力[σ]=160 MPa。

根据图1 可列平衡方程:

F1+F2+F3-F=0

(1)

F2×4.77+F3×9.54-F×7.155=0

(2)

根据变形协调方程可知:

y2=y21+y22=0

(3)

(4)

(5)

求解得:

F1=-14.6 kN,F2=102.7 kN,F3=58.9 kN。

对简化模型分三段(A-A,B-B,C-C)进行剪力和弯矩计算,并绘制剪力和弯矩图,如图2、3所示。

图2 剪力图

由图3可知,Mmax在集中力F处,此处截面为危险截面,其上的弯矩值为:Mmax=139.64×106N·mm。

图3 弯矩图

轨道梁惯性截面:

(6)

轨道梁最大弯曲正应力:

(7)

在力F作用下的挠度为:

(8)

防尘棚行车轨道梁选用的型钢材料为:H型钢482×300×11×15/Q235B。

忽略行车底部截面较小的导轨,将数据代入截面惯性矩公式可得:I=1.68×10-3m4。

将上述数值代入公式(8)得到在F作用下的变形量:y=1.063×10-3m。

通过上述计算可知,轨道梁最大弯曲正应力为54.76 MPa,远小于H型钢材料的许用弯曲应力158 MPa, 轨道梁最大位移变形量1.06 mm。此规格的H型钢可满足强度要求。

2 建立防尘棚三维模型

文章所用分析模型采用SolidWorks三维软件进行建立,创建模型时为减少网格数量,节省计算时间,在不影响最终结果的前提下,对模型进行简化处理,对防尘棚内部保温板,外部封板、斜拉角钢及顶部封板等进行简化[2],防尘棚框架模型如图4所示。

图4 防尘棚框架模型

3 Workbench强度分析计算

Ansys Workbench可实现与其他主流CAD软件间数据的无缝连接,可将复杂的三维模型导入分析系统中进行参数设置及载荷施加,最后通过内置求解器进线分析计算[3]。

(1) 定义参数。由于分析对象是轨道梁部件,故单元选择10节点四面体三维实体单元,单元类型Solid187,弹性模量2.1×105MPa,泊松比为0.3。

(2) 网格划分。将上述SolidWorks创建的三维实体模型导入Workbench中,由于计算机硬件条件的限制,文中网格划分采用自动网格划分[4],在mesh菜单下将element size设置为40 mm,然后对轨道梁进行局部网格细化,并在有限的计算机硬件的条件下提高计算结果的精确度,最终得到整个框架的网格,如图5所示。

图5 防尘棚框架网格模型

(3) 定义边界条件。对六根竖撑的底部进行固定约束,整个框架接触设定为绑定接触,考虑行车自重5 000 kg,吊装的间隔重量约10 000 kg,当行车横向运动至防尘棚最左边或最右边,纵向运动至两支撑座中间时,此时轨道梁受力位移变形最大,以此种工况进行静力学分析。

(4) 求解。经加载求解,得出防尘棚框架的Von Mises等效应力云图和位移云图如图6、7所示。Ansys Workbench中应力应变结果云图中的颜色越深表示应力和应变量越大。

图6 两跨之间受力最大时的应力云图 图7 两跨之间受力最大时的位移云图

从应力云图可以看出,最大应力出现在轨道梁的两跨之间的中间位置,最大应力值为54.97 MPa,与理论计算最大弯曲正应力54.76 MPa基本一致,小于材料的许用应力;从位移云图可以看出,轨道梁中间位置的变形最大约1.46 mm,桁架变形最大约0.76 mm,顶梁变形最大约1.13 mm,立柱变形最大约1.14mm,其余部位变形均小于1 mm。与理论计算最大变形量1.06 mm基本一致。采用的H型钢裕度较大,可适当减小H型钢的截面尺寸。

4 结 语

文中阐述了防尘棚及轨道梁从实体建模到有限元分析求解静力学特征的完整过程。利用Ansys18.0分析软件中的Ansys Workbench对防尘棚及轨道梁进行了静力学仿真分析,比较详细地介绍了实体建模及整个分析过程[5-6],得到防尘棚轨道梁的最大应力值及最大应变量,同时对模型进行分析简化,通过平衡方程及变形协调方程进行剪力和弯矩计算,绘制剪力和弯矩图,通过计算最后得到最大弯曲正应力及最大位移变形量,与有限元分析软件计算分析结果进行对比分析。研究分析结果表明:通过计算得到的轨道梁最大弯曲正应力为54.76 MPa,远小于H型钢材料的许用弯曲应力158 MPa, 轨道梁最大位移变形量1.06 mm。此规格的H型钢可满足强度要求。有限元数值模拟计算与理论计算结果基本一致,说明Ansys Workbench仿真分析软件对轨道梁的分析计算是有效的。研究结果可为防尘棚的整体设计与制造提供理论依据。CAE分析技术有助于提高防尘棚的设计水平,缩短设计周期,减少产品的开发成本。