基于ABAQUS電力變壓器工況下橡膠密封損傷行為分析

夏海明，趙 晶，夏麗麗

(1.沈陽工業(yè)大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870) (2.特變電工沈陽變壓器股份有限公司，遼寧 沈陽 110144)

電力變壓器各法蘭盤聯(lián)接處常常會產生振幅極小的微動，當微動作用在電力變壓器各聯(lián)接處的橡膠密封件表面時，會導致其接觸界面磨損直至密封失效。本文通過有限元軟件ABAQUS進行仿真計算，根據(jù)不同壓縮率和位移幅值計算得到的橡膠密封件應力和應變結果，并對橡膠密封件在變壓器實際工況中的微動損傷行為[1-2]進行探討。

1 有限元仿真過程

圖1所示為變壓器法蘭盤實際工況圖，可以看出電力變壓器橡膠密封件兩側始終承受著法蘭盤施加的徑向載荷，在電力變壓器橡膠密封件凸起的接觸表面發(fā)生微動磨損。為了有效地研究變壓器橡膠密封件的實際損傷狀況，同時使仿真結果呈現(xiàn)的變化規(guī)律與實際工況更加吻合，本文對橡膠密封件的夾具進行設計，同時在密封件上放置磨塊，在橡膠密封件與磨塊之間的接觸界面設置振幅極小的微動，建立仿真模型的優(yōu)點是在仿真分析過程中可以準確地施加壓縮量和位移幅值這兩個運動參數(shù)，變壓器橡膠密封件分析模型如圖2所示。

圖1 變壓器法蘭盤實際工況圖

圖2 變壓器橡膠密封件分析模型

1.1 橡膠材料參數(shù)的確定

橡膠材料是超彈性材料，通?；趹儎菽芎瘮?shù)來表征超彈性材料的應力與應變關系，例如Arruda-Boyce、Marlow、Mooney-Rivlin以及Neo-hooke等應變勢能函數(shù)。根據(jù)大量實驗取證，Mooney-Rivlin函數(shù)[3]可以準確地貼合橡膠特性，故本文采用該函數(shù)來設置仿真過程的材料參數(shù)。Mooney-Rivlin函數(shù)具體公式如下:

(1)

式中：i,j為多項式階次；W為應變能密度；Cij為材料常數(shù)；I1和I2分別為第1和第2應變不變量。材料常數(shù)C01和C10通過經(jīng)驗公式計算:

(2)

C01=0.25C10

(3)

E=6(C10+0.25C01)

(4)

(5)

式中：E為彈性模量；HA為材料常數(shù)。由于橡膠材料具有不可壓縮性，因此在ABAQUS軟件中建立材料模型時，壓縮比設置為0，選取的橡膠密封件硬度為70，計算出彈性模量后，根據(jù)公式(2)～(5)計算得Mooney-Rivlin函數(shù)的兩項材料常數(shù)C10和C01分別為0.738 9和0.184 7，夾具和磨塊設置為剛體，楊氏模量為206 000 Pa，泊松比為0.3。

1.2 雙鼓型橡膠壓縮量計算

根據(jù)目前國內對于大型電力變壓器橡膠密封領域相關研究現(xiàn)狀，橡膠材料的壓縮率通常情況下應控制在10%～20%，常見的計算壓縮率ε的公式為：

(6)

式中：d為壓縮前橡膠密封件的初始長度，mm；l為壓縮后橡膠密封件的長度，mm。如圖3所示，在橡膠密封件兩側由夾具施加夾緊力并將橡膠材料壓縮率控制在10%～20%。為了更好地表現(xiàn)出橡膠材料壓縮率對于橡膠材料損傷行為的影響，分別設置壓縮率為10%、12%、14%以及16%，通過式(6)計算得出壓縮量分別為3.0,3.6,4.2以及4.8 mm。

2 設定運動條件并創(chuàng)建網(wǎng)格劃分

圖3所示為施加運動條件示意圖，為了使不銹鋼磨塊作穩(wěn)定的往復運動，將往復運動設置為正弦型往復運動，材料接觸界面之間的往復運動頻率設定為100 Hz,位移幅值分別設定為0.2,0.5,1.0以及2.0 mm，通過橡膠專用夾具對橡膠密封件施加沿Y軸方向由外向里的位移，例如為了實現(xiàn)總壓縮量達到3.0 mm，使兩端夾具分別壓縮1.5 mm，即可達到10%的壓縮率，其余橡膠密封件壓縮率的設置以此類推。

圖3 施加運動條件示意圖

模型網(wǎng)格采用二次減縮積分六面體單元C3D20R進行劃分，而不規(guī)則形狀的夾具部分則采用二次四面體單元進行劃分，劃分后通過命令Verify Mesh檢查網(wǎng)格，最終結果如圖4所示。

圖4 仿真模型劃分網(wǎng)格示意圖

3 有限元模型計算結果分析

3.1 不同橡膠材料壓縮率有限元分析結果

圖5所示為不同壓縮率條件下橡膠密封件應力和應變的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)雙鼓型橡膠密封件的最大應力值以及最大應變值均在正弦型往復運動的最大極值位置。壓縮率越高，雙鼓型橡膠密封件的最大應力值以及最大應變值越大。

圖5 不同材料壓縮率條件下應力、應變變化曲線

圖6所示為不同壓縮率條件下橡膠密封件應力變化情況，可以觀察到在不同壓縮率條件下，應力集中即橡膠材料易出現(xiàn)疲勞失效的位置大致相同，均處在橡膠凸起表面與橡膠平面交界處；同時根據(jù)仿真情況可以看出，雙鼓型橡膠密封件底部的平面部分在運行過程中也比較容易出現(xiàn)疲勞損傷現(xiàn)象。根據(jù)仿真結果可知，橡膠密封件的變形往往都是從外側表面先開始，且變形較為劇烈，而橡膠密封件中心部位則依靠橡膠的彈塑性變形抵消材料變形，所以在橡膠密封件中心部位并未發(fā)現(xiàn)較明顯的變形。

圖6 不同材料壓縮率條件下的應力圖

當橡膠密封件壓縮率分別為12%、14%和16%時，雙鼓型橡膠密封件的最大應力值即凸起部位與平面交界處的應力值分別為2.018,2.411和2.744 MPa。從仿真結果可以發(fā)現(xiàn)，隨著橡膠壓縮率增大，在往復運動過程中雙鼓型橡膠密封件的應力值也逐漸增大，表明壓縮率增大會導致橡膠密封件的疲勞損傷更加嚴重[4]。

圖7所示為不同壓縮率條件下橡膠密封件應變變化情況。當橡膠材料壓縮率分別為12%、14%和16%時，雙鼓型橡膠密封件的最大應變值即凸起部位與平面交界處的應變值分別為29.61%、34.60%和38.60%。從應變結果中可以發(fā)現(xiàn)，隨著雙鼓型橡膠密封件壓縮率增大，在高頻微動下橡膠的變形也越來越大，因此壓縮率成為影響變壓器橡膠密封件微動磨損的主要因素。

圖7 不同材料壓縮率條件下的應變圖

3.2 不同位移幅值有限元分析結果

圖8所示為不同位移幅值條件下橡膠密封件應力及應變的變化情況，隨著位移幅值增大，雙鼓型橡膠密封件的最大應力值和應變值同時增大，表明隨著位移幅值的增大會加速雙鼓型橡膠密封件的磨損[5-6]。

圖8 不同位移幅值條件下應力、應變變化曲線

圖9所示為不同位移幅值條件下橡膠密封件應力變化情況，當施加位移幅值u分別達到0.2，0.5，1.0和2.0 mm時，雙鼓型橡膠密封件的凸起部位與平面交界處的應力值分別為1.797，1.841，2.030和2.336 MPa。

圖9 不同位移幅值條件下的應力圖

圖10所示為不同位移幅值條件下橡膠密封件應變變化情況。當施加位移幅值u分別達到0.2，0.5，1.0和2.0 mm時，橡膠密封件凸起部位與平面交界處的應變值分別為26.67%、27.27%、29.78%和33.67%。在同一個周期內，當運動到往復運動極值點位置時，應力值和應變值達到了最大值，雙鼓型橡膠易產生疲勞損傷，而且隨著位移幅值的增大，損傷情況也更加嚴重。

圖10 不同位移幅值條件下的應變圖

4 結束語

在變壓器實際工況中，位移幅值和壓縮率都會成為影響橡膠密封件密封能力的重要因素[7-8]。橡膠密封件壓縮量越大，橡膠密封件的微動損傷越嚴重；如果加載較大的橡膠材料壓縮率，在一定程度上會加速橡膠密封件的變形，從而導致橡膠密封件接觸表面發(fā)生疲勞損傷甚至萌生裂紋；在高頻極小位移幅值的條件下，隨著位移幅值的增加會加劇橡膠密封件損傷，但如果位移幅值達到一定值時，繼續(xù)增大位移幅值則材料會達到穩(wěn)定損傷狀態(tài)。本文運用ABAQUS仿真軟件來模擬橡膠密封件實際工況，為處在各類實際工況中的橡膠類密封件仿真計算提供了一些計算思路和問題解決方法。