基于Workbench的防塵棚軌道梁的靜力學(xué)分析*

李 偉,劉 剛,聶海鵬

(山東泰開高壓開關(guān)有限公司,山東 泰安 271000)

0 引 言

在智能電網(wǎng)建設(shè)背景下,間歇式能源大量接入電網(wǎng),使得電網(wǎng)的規(guī)模日趨增大,電網(wǎng)的區(qū)域互聯(lián)性也不斷增強(qiáng),而更加復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及用戶的雙向互動需求都對電力系統(tǒng)變電設(shè)備的安全穩(wěn)定運行提出了更高的要求。為此,很多電力單位開始采用穩(wěn)定性更強(qiáng)的GIS設(shè)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(huán)境影響小、使用維護(hù)方便等諸多優(yōu)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(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成,這些設(shè)備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中,在其內(nèi)部充有一定壓力的絕緣氣體;復(fù)雜的結(jié)構(gòu)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(xiàn)場大多環(huán)境惡劣,過往車輛多、揚塵大,安裝環(huán)境很難管控,因而容易出現(xiàn)故障。根據(jù)規(guī)程要求,GIS檢修環(huán)境應(yīng)達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn):①灰塵顆粒度在100萬個/m3及以下;②密閉空間內(nèi)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(fēng)環(huán)境的良好支撐能力;⑤密封良好,能保持以上指標(biāo)等。鑒于GIS設(shè)備的模塊化設(shè)計,現(xiàn)場布置靈活方便及免維護(hù)等特點,GIS設(shè)備已成為目前變電站高、中壓等級電能傳輸?shù)闹饕姎庠O(shè)備。GIS設(shè)備的安裝質(zhì)量是保證電網(wǎng)可靠安全運行的關(guān)鍵因素。GIS設(shè)備安裝施工過程中,空氣中的塵土顆粒等雜質(zhì)對GIS的安裝質(zhì)量會產(chǎn)生影響,具有空氣凈化功能、環(huán)境監(jiān)測功能的防塵棚的使用可防止空氣中微塵對GIS設(shè)備安裝質(zhì)量的影響。

由此可見,為更好地完成GIS設(shè)備現(xiàn)場檢修工作,并達(dá)到必要的工藝要求,必須實現(xiàn)現(xiàn)場安裝及檢修,防塵棚的應(yīng)用可使GIS設(shè)備的安裝及檢修工作順利開展[1]。防塵棚主要由主體鋼結(jié)構(gòu)框架、風(fēng)淋室、硬化地面、風(fēng)機(jī)、空氣除塵設(shè)備、塑料薄膜、空調(diào)等組成。主體鋼結(jié)構(gòu)框架安裝在硬化地面上,塑料薄膜覆蓋在主體鋼結(jié)構(gòu)的頂部及側(cè)面位置,主體鋼結(jié)構(gòu)框架的側(cè)面進(jìn)出口處設(shè)置風(fēng)淋室,風(fēng)機(jī)通過管路連接空氣除塵干燥設(shè)備和主體鋼結(jié)構(gòu)框架的內(nèi)部空間,主體鋼結(jié)構(gòu)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(xiàn)了GIS的全天候安裝,有效提高了GIS安裝效率,大大縮短現(xiàn)場施工時間。防塵棚內(nèi)還設(shè)置溫濕度和粉塵度測試儀以進(jìn)行實時監(jiān)測,一旦環(huán)境無法滿足安裝要求,現(xiàn)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(jìn)行驗證討論。采用Ansys workbench有限元分析軟件對防塵棚關(guān)鍵部位軌道梁進(jìn)行強(qiáng)度分析模擬計算,并與模型簡化等效后的理論計算進(jìn)行對比分析,對比分析結(jié)果可為防塵棚的整體設(shè)計與制造提供理論依據(jù)。

1 防塵棚軌道梁的受力分析計算

首先對模型進(jìn)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(cè)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(yīng)力[σ]=160 MPa。

根據(jù)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(jù)變形協(xié)調(diào)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(jìn)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(yīng)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(dǎo)軌,將數(shù)據(jù)代入截面慣性矩公式可得:I=1.68×10-3m4。

將上述數(shù)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(yīng)力為54.76 MPa,遠(yuǎn)小于H型鋼材料的許用彎曲應(yīng)力158 MPa, 軌道梁最大位移變形量1.06 mm。此規(guī)格的H型鋼可滿足強(qiáng)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(jìn)行建立,創(chuàng)建模型時為減少網(wǎng)格數(shù)量,節(jié)省計算時間,在不影響最終結(jié)果的前提下,對模型進(jìn)行簡化處理,對防塵棚內(nèi)部保溫板,外部封板、斜拉角鋼及頂部封板等進(jìn)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(qiáng)度分析計算

Ansys Workbench可實現(xiàn)與其他主流CAD軟件間數(shù)據(jù)的無縫連接,可將復(fù)雜的三維模型導(dǎo)入分析系統(tǒng)中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及載荷施加,最后通過內(nèi)置求解器進(jìn)線分析計算[3]。

(1) 定義參數(shù)。由于分析對象是軌道梁部件,故單元選擇10節(jié)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(wǎng)格劃分。將上述SolidWorks創(chuàng)建的三維實體模型導(dǎo)入Workbench中,由于計算機(jī)硬件條件的限制,文中網(wǎng)格劃分采用自動網(wǎng)格劃分[4],在mesh菜單下將element size設(shè)置為40 mm,然后對軌道梁進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化,并在有限的計算機(jī)硬件的條件下提高計算結(jié)果的精確度,最終得到整個框架的網(wǎng)格,如圖5所示。

圖5 防塵棚框架網(wǎng)格模型

(3) 定義邊界條件。對六根豎撐的底部進(jìn)行固定約束,整個框架接觸設(shè)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(dāng)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(jìn)行靜力學(xué)分析。

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

圖6 兩跨之間受力最大時的應(yīng)力云圖 圖7 兩跨之間受力最大時的位移云圖

從應(yīng)力云圖可以看出,最大應(yīng)力出現(xiàn)在軌道梁的兩跨之間的中間位置,最大應(yīng)力值為54.97 MPa,與理論計算最大彎曲正應(yīng)力54.76 MPa基本一致,小于材料的許用應(yīng)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(dāng)減小H型鋼的截面尺寸。

4 結(jié) 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(xué)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(jìn)行了靜力學(xué)仿真分析,比較詳細(xì)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(yīng)力值及最大應(yīng)變量,同時對模型進(jìn)行分析簡化,通過平衡方程及變形協(xié)調(diào)方程進(jìn)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(yīng)力及最大位移變形量,與有限元分析軟件計算分析結(jié)果進(jìn)行對比分析。研究分析結(jié)果表明:通過計算得到的軌道梁最大彎曲正應(yīng)力為54.76 MPa,遠(yuǎn)小于H型鋼材料的許用彎曲應(yīng)力158 MPa, 軌道梁最大位移變形量1.06 mm。此規(guī)格的H型鋼可滿足強(qiáng)度要求。有限元數(shù)值模擬計算與理論計算結(jié)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(jié)果可為防塵棚的整體設(shè)計與制造提供理論依據(jù)。CAE分析技術(shù)有助于提高防塵棚的設(shè)計水平,縮短設(shè)計周期,減少產(chǎn)品的開發(fā)成本。