大型真空罐總體彈性穩(wěn)定性分析及其改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

譚鑫

（廣東省中山市南方空氣分離設(shè)備有限公司 528441）

大型真空罐總體彈性穩(wěn)定性分析及其改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

譚鑫

（廣東省中山市南方空氣分離設(shè)備有限公司 528441）

本文通過對(duì)大型真空罐結(jié)構(gòu)的分析，對(duì)實(shí)際變壓器廠內(nèi)應(yīng)用的大型真空罐總體彈性的臨界壓力進(jìn)行了計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并提出改進(jìn)方法。

大型真空罐；干燥設(shè)備；改進(jìn)方法

變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包含較多的固體絕緣材料，在生產(chǎn)過程中需要及時(shí)關(guān)注含材料的含水量，避免含水量影響變壓器絕緣材料的性能。變壓器設(shè)備生產(chǎn)過程中，等級(jí)越高，內(nèi)部材料對(duì)應(yīng)的含水量必須越低，為了盡可能降低內(nèi)部水分，必須應(yīng)用真空干燥設(shè)備，在生產(chǎn)過程中及時(shí)除去水分[1]。實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，變壓器的電壓等級(jí)要求越高，容量越大，內(nèi)部應(yīng)用的絕緣材料就會(huì)越厚，對(duì)干燥環(huán)境提出的要求就就會(huì)越高，進(jìn)行干燥處理的真空罐尺寸就會(huì)越大。因此真空罐設(shè)計(jì)過程中必須要重點(diǎn)考慮總體彈性穩(wěn)定性，對(duì)已有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行反復(fù)試算和完善，保證穩(wěn)定性和剛度滿足結(jié)構(gòu)要求。

1 真空罐概述

某變壓器廠對(duì)一個(gè)大型真空罐的幾何外形進(jìn)行簡(jiǎn)化后如圖1所示。

圖1 真空罐外形

該真空罐外形為一個(gè)立方體，其中有5個(gè)側(cè)面采用加強(qiáng)筋鋼板，剩下的一面為兩篇援助殼構(gòu)成，將這一面作為真空罐的罐門。真空罐罐門為一長(zhǎng)方形截面鋼條和兩個(gè)槽型鋼，將工字型鋼安裝與平板加強(qiáng)筋上。

工作過程中保證真空罐受壓均勻，將工作溫度控制在120℃左右，該真空罐整體有低碳鋼制成，彈性模量為E=2.1×105MPa，泊松比為0.3。

真空罐簡(jiǎn)化后的圖形如圖2所示。

圖2 真空罐簡(jiǎn)化圖

從圖2可以看出，真空罐簡(jiǎn)化后基本可以看成是由梁、板和殼體構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)，應(yīng)用傳統(tǒng)計(jì)算方法對(duì)其作出力學(xué)穩(wěn)定性分析將會(huì)十分困難。隨著有限元分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，力學(xué)分析問題得到了解決。

真空罐在應(yīng)用過程中，必須在正確分析靜力強(qiáng)度的同時(shí)，還必須對(duì)總體平衡穩(wěn)定性的屈曲進(jìn)行分析[2]。本研究借助有限元分析技術(shù)對(duì)真空罐的靜力進(jìn)行初步分析，之后對(duì)整體彈性屈曲進(jìn)行分析，為了及時(shí)校核真空罐結(jié)構(gòu)抗破壞能力，需要求出彈性屈曲的臨界壓力。研究過程中發(fā)現(xiàn)，雖然原有的設(shè)計(jì)方案存在一定的缺陷，但是從總體上看，該結(jié)構(gòu)仍然具有較大的穩(wěn)定性潛力，本文提出了這一種改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，減輕了結(jié)構(gòu)的自重，可以相關(guān)工作提供參考。

2 模型分析

結(jié)合圖2可以看出，真空罐結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)對(duì)稱的平面，即平面ogy和平面oyz。真空罐在應(yīng)用過程中，會(huì)受到均勻?qū)ΨQ的外壓力，在結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋的作用下，彈性總體失穩(wěn)波形也會(huì)將這兩個(gè)平面作為對(duì)稱面，因此在進(jìn)行彈性屈曲分析和總體彈性靜力分析過程中一般選用該模型的1/4作為分析對(duì)象。

在常見的幾何形體中，圓柱殼體的莫內(nèi)力狀態(tài)較為均勻，外壓力也比較平衡，一般可以承受較大的均勻外力。原有設(shè)計(jì)方案正是借助這一優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用兩片圓柱殼體對(duì)接作為真空罐門，但是應(yīng)用長(zhǎng)方形板條對(duì)不同圓柱殼體進(jìn)行加強(qiáng)，在結(jié)合位置并不能獲得良好的加強(qiáng)效果。

針對(duì)兩塊不同的圓柱殼塊而言，在均勻外力的影響下會(huì)在殼塊結(jié)合位置產(chǎn)生向下的線載荷，該線載荷可以完全有一根梁進(jìn)行承載，應(yīng)用梁承載的方法可以提供與線載荷相等、方向相反的力，保證與外壓力平衡。原有的設(shè)計(jì)方案中應(yīng)用長(zhǎng)方形板條，在就結(jié)合位置形成封閉的三角區(qū)域與向下的線載荷平衡，與梁支撐相比，效果較差。另外，將板條裝置焊接在圓柱殼體上，一定程度上會(huì)對(duì)圓柱殼的模內(nèi)力狀態(tài)造成影響[3]。

結(jié)合以上分析，本研究中對(duì)原有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種新的支撐方案，即在圓柱殼塊的結(jié)合位置放上尺寸適宜的工字鋼。經(jīng)過上述分析，對(duì)1/4原結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，及時(shí)繪制相應(yīng)的有限元網(wǎng)格剖分圖。應(yīng)用空間梁?jiǎn)卧獙⒓訌?qiáng)筋分散開，應(yīng)用三角形平面殼體單元將平板和圓柱殼分散開。

3 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案

原設(shè)計(jì)方案中應(yīng)用I30a號(hào)型鋼，將此型鋼作為加強(qiáng)筋會(huì)具有過大的強(qiáng)度，在兩片圓柱光殼塊構(gòu)成的真空罐門位置強(qiáng)度不足，在門位置形成屈曲波形，實(shí)際計(jì)算也證明了這一問題。

本研究提出改進(jìn)方法，縮小四周壁板上的加強(qiáng)筋尺寸，同時(shí)增大加強(qiáng)筋的密度，保證整體結(jié)構(gòu)的剛度均勻分布，更加合理。設(shè)計(jì)過程中充分考慮到工藝條件的限制，將實(shí)際加強(qiáng)筋的間距控制在500mm左右，所用工字型鋼的型號(hào)較小，改進(jìn)過程中也可以對(duì)圓柱殼塊應(yīng)用三根環(huán)向加強(qiáng)筋，應(yīng)用I14型工字鋼，改進(jìn)后方案的有限元分析展開圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后方案的有限元展開

圖3中右側(cè)為改進(jìn)方案圓柱殼塊的網(wǎng)格剖分，與原有的有限元網(wǎng)格相比，改進(jìn)方案的有限元網(wǎng)格更加密集，應(yīng)用長(zhǎng)方形平面殼單元取代原有的三角形平面殼單元，之后列出有限網(wǎng)格數(shù)據(jù)[4]。

通過對(duì)改進(jìn)后方案的分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用兩片圓柱殼塊的方法在工藝實(shí)施和受力形態(tài)上都會(huì)表現(xiàn)出一定的缺陷，比較合理的方法是應(yīng)用環(huán)向加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)形式，在一個(gè)側(cè)面上應(yīng)用三根環(huán)向加強(qiáng)筋，其它五個(gè)側(cè)面應(yīng)用長(zhǎng)方形加強(qiáng)筋。

4 總體彈性屈曲計(jì)算

方案改進(jìn)過程中，將原始方案和改進(jìn)后的方案進(jìn)行對(duì)比，對(duì)總體彈性屈曲的臨界壓力值進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用改進(jìn)后的方案，圓柱殼塊結(jié)合位置的臨界壓力從原來(lái)的38.056kPa上升到52.799kPa，改進(jìn)效果十分明顯。

本研究中對(duì)改進(jìn)方法選用了不同型號(hào)的加強(qiáng)筋，之后通過正確的計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在側(cè)板上工字鋼型號(hào)不斷減小的同時(shí)，真空罐的總體屈曲臨界壓力值就會(huì)逐漸降低，主要原因是圓柱殼塊區(qū)域內(nèi)形成屈曲波形。之后在圓柱殼體上加裝了三根環(huán)向加強(qiáng)筋，真空罐抵抗總體屈曲的能力得到提高，臨界壓力值也有所提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

從結(jié)構(gòu)上看，原有真空罐設(shè)計(jì)方案安全，但是設(shè)計(jì)方法不合理，必須在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的方案可以保證穩(wěn)定性，改進(jìn)過程中應(yīng)用了三種不同型號(hào)的工字鋼作為側(cè)面板的加強(qiáng)筋，可以為相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供參考。另外，在圓柱殼塊拱高不斷增大的同時(shí)，臨界壓力值就會(huì)增大，如果將圓柱殼塊上的三根環(huán)向加強(qiáng)筋去掉，臨界壓力值下降。改進(jìn)方案降低了真空罐的自重，主要對(duì)原有設(shè)計(jì)方案的加強(qiáng)筋大小和間距進(jìn)行重新設(shè)置。總之，本研究中探討的真空罐結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，穩(wěn)定性分析過程中必須充分考慮不同構(gòu)件中存在的平面變形問題和彎曲變形問題，對(duì)真空罐的靜力進(jìn)行分析可以為屈曲理論提供參考，有限元分析過程中需要借助較細(xì)的網(wǎng)格進(jìn)行應(yīng)力分析，明確應(yīng)力較大的區(qū)域，增加網(wǎng)格的密度。

[1]陳志江，楊永軍.真空罐應(yīng)用原理[D].四川工業(yè)大學(xué)，2011，15（2）：146～ 148.

[2]陳曉東，孫永平，郭志平，等.有限元分析和工業(yè)應(yīng)力探究領(lǐng)域的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)，2015，25（4）：47.

[3]王元蓀.變壓器設(shè)備生產(chǎn)過程控制[D].華中科技大學(xué)，2014（2）：61.

[4]安曉燕.大型真空罐應(yīng)用技術(shù)研究[D].燕山大學(xué)，2011，15（1）：140.

TB75

A

1004-7344（2016）15-0256-02

2016-5-10