ANSYS软件在电力机车变压器设计中的应用
*+,-,软件在电力机车
变压器设计中的应用
张金平
张相国
山西
大同
’7#’7)）
（中国北车集团大同电力机车有限责任公司
【摘要】主要介绍了利用*+,-,软件对电力机车牵引变压器油箱进行三维计算分析。并通过分析计算结果，验
有限元法
电力机车
变压器
油箱
计算分析
证了产品的可靠性，为采用产品新结构提供了理论依据。【关键词】*+,-,【中图分类号】D&$(P7
【文献标识码】Q
【文章编号】!’’7R ##7S（&’’(）’!R ’’&)R ’7
引言
为了保证机车高速运行的稳定性，同时尽量节省
式中：3#4———单元内任一点应变列阵；
1" 2———单元应变矩阵。应力计算公式为：3$401#（21" 23$4563#’4）。式中：3$4———单元内任一点应力列阵；
1#2———材料的弹性矩阵；&
3#’4———单元的初应变列阵。软件介绍
空间，减小重量，机车变压器大多采用车底吊挂方式安装，而且内部结构紧凑，这就要求变压器油箱应具有足够的机械强度。因此我们在设计过程中采用了*+,-,软件对变压器油箱的机械强度进行了有限元计算，以验证结构的可靠性，并且根据计算结果对产品结构做了适当的调整，从而为变压器油箱的结构提供了依据并优化了结构，提高了产品的可靠性。保证其在满足
“中华之星”强度的同时达到小型化、轻量化。现以高速机车变压器为例，对此计算方法做详细的介绍。!
理论依据
*+,-,软件主要是采用有限元计算方法，有限
元法是适应于使用电子计算机而发展起来的一种新颖和有效的数值计算方法。这种算法的特点是由整体到分块，再从分块组集成整体，采用分块近似插值函数去逼近整体连续函数，可使连续体力学问题得到整体离散逼近、分块连续的近似数值解，得到较精确的计算结果。
由于牵引变压器为空间薄壁结构，根据薄板弯曲理论，薄板的变形和应力状态，完全由板中面的挠度! （. ，所决定。所以，挠度计算公式应为：/）
本次计算采用的是*+,-,有限元分析软件包。
热、流体、电磁、声学为一体的*+,-,软件是融结构、
大型通用有限元分析软件。该软件拥有丰富和完善的单元枯、材料模型库和求解器，保证它能够高效地求解各类工程问题，如：结构静力、动力、线性和非线性问题、电磁场问题、流体问题和热传导问题等。
利用*+,-,软件进行有限元分析的流程为：建立
模型、划分网格、施加载荷和约束、问题求解、结果后处理。7
结构简介
“中华之星”高速机车变压器油箱结构为钢质薄壳
容器，具有容纳器身，充变压器油以及散热的作用，还兼做变压器附属装置的支撑，是复杂的空间薄板结构。箱体全长为&($&88，箱体宽! $(&88，箱体高为)9988。其中箱盖和箱底的厚度均为) 88的!$:;钢板组成；四周的加强筋板为!’?!)+@9A@不锈钢板。箱盖上加强用的槽钢为=88厚，端子法兰框为=88厚，箱壁
! 01! 23" 45。
式中：1! 2———单元的形函数矩阵；
3" 45———单元的节点位移阵列。应变计算公式为：
3#401" 23" 45。・&)・
作者简介：张金平，男，高级工程师。!9$#年生，!99! 年太原工业大学供电专业毕业，
第#期$总第%&期’张金平等：()*+*软件在电力机车变压器设计中的应用!,,-年! 月
上所用的油道厚为. //，材料也均为#01#2)3"43不
锈钢板。油箱内变压器与电抗器隔板为#,//厚铝板。因此采用四边形线性板壳单元进行有限元计算。计算模型将油箱的箱底、箱壁、箱盖及各种加强筋板均处理为板单元。-有限元模型的建立
因为结构及载荷的不对称性成分较大，所以采用整体进行计算。依据结构及力学特点，采用了板单元、梁单元，箱壁及其上所焊构件均采用了板壳单元（*5677&.）进行计算，箱盖与箱体所用拉螺杆定义为梁单元（86(9-）。共将结构划分为#!,%!个节点，
#!!," 个板单元，:个梁单元，共为#!!#-个单元。:
边界条件
由于变压器油箱是由四组螺栓通过固定板固定到车体上的，以箱底左上角为坐标原点，纵向为; 轴、横向为+轴、铅垂向下为
载荷计算
在载荷选取方面，=8>4&!%-中关于.:? :,,@A
电压等级的三相电力变压器技术要求参数规定了.:@A、-,,, @A(以上的电力变压器机械强度试验真空正压为:,@BC，正压为:2D2@BC。但在实际运行时，机车变压器还承受纵向:E 加速度，横向. E 加速度。而且机车变压器还要求体积小重量轻。结合以上情况，我们共选择了! 种载荷工况对油箱结构设计方案进行了结构强度计算，这! 种载荷工况为：
$#’自重（包括油箱重量、变压器器身、电抗器、变压器油及其他附件的重量，以下同）和垂直方向#E 的
加速度。
其中：变压器自身重
-%%.D-@E；
电抗器组及供电电抗器重#:.,D-@E；
变压器油重! ,,,@E；油泵重
2:@E。
$! ’空箱施加,D %:个大气压$%&@BC’和垂直方向
#E的加速度。
计算过程中选取钢材的弹性模量为!D ,&F #,:9BC ，泊松比为,D . ，材料密度为%D2@E>/. ；铝板的弹性模量为,D &":F #,:9BC ，泊松比为,D .G 材料密度为!D &:
@E>/. 。整体网格剖分采用自由剖分，
局部采用手工剖分，网格形式为四边形板元，以保证计算的精确性。%
计算结果分析
由于机车牵引变压器在普通电力变压器的基础上又进一步要求小型化、轻量化，即大容量小体积。同时还要承受纵向:E ，横向. E 的加速度，而油箱的失效
主要是在抽真空（或正压）过程中局部平板翘曲引起的，因而常可以恢复变形并继续运行。很少发现由此引起整个油箱屈曲失稳，导致整个变压器失效报废的。一般结构油箱均可简化成板梁组合的结构，即在平面壳体外侧用各种截面的梁纵横加强。造成油箱局部失稳的主要原因是：
$#’油箱整体刚度不足；$! ’周围的加强筋刚度不足；
$. ’钢板本身的抗弯刚度不足；$-’加强筋与箱体的焊线机械强度不够。
油箱结构设计的安全可靠标准主要是控制变形。变形过大不仅易引起钢板的局部失稳，而且会导致局部裂纹或箱沿密封泄露。因此，我们在计算结果中主要观察的是油箱的变形。
通过对计算结果中油箱的应力变形云图和位移变形云图的观察，在第一种工况中，对于变压器整体来说，变形量最大的地方发生在箱底，变形量为#D"
//。应力最大值为!,-9BC ，出现在箱壁与主变安装座焊接点处，因此属应力集中点。
由于第二种工况为极端恶劣工况，应力集中点较多，且其值较大，所以只观察其位移变形云图，此工况最大变形量为"D . //，出现在箱底中心。部分应力集
中处的应力值虽然相对较大，但由于模型与实际工况有一定区别，所以忽略其值。本工况应力最大值发生在箱底与箱盖连接的拉螺杆处，最大值为!2%9BC 。
在两种工况中，第二种工况变压器整体位移变形量最大，最大变形量为"D . //，箱盖最大变形量为
&D" //，从结果分析，#01#2)3"43不锈钢的许用应力为!!, 9BC G 而最大应力值为!2%9BC G 大于其许用
应力，但小于其屈服应力.-:9BC ，并且由于最大值发生在应力集中处，其值比实际值偏大。因此证明结构满足强度要求。由于箱底、箱盖、箱壁的最大位移均满足试验要求，在打压工况下不至于出现不可恢复的变形，所以结构在刚度方面也满足要求。
第二种工况中油箱各壁最大位移的计算结构与油箱机械强度试验记录比较见表#：
2结束语
通过比较计算结果和试验结果，发现计算结果比
打压试验结果要大。但总体误差仍在允许范围（H #,I）
之内。因此证明()*+*软件做出的有限元计算
结果基本符合实际情况，完全适合于机车变压器油箱
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第! 期" 总第#$期%机械管理开发
参考文献
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徐
&’’(年&月
的结构设计。而且在产品开发设计过程中，有助于新产品、新结构的检验，并能够帮助设计人员及时发现产品中的缺陷，对产品做进一步的改进，提高产品的可靠性、经济性、合理性，从而增强企业对市场的应变能力和竞争能力。
憬, 机械设计手册, 北京：机械工业出版社，!--!,
嘉木工作室, ./01023#,有限元实例分析, 北京：机械工业出版社，&’’&,
（收稿日期：&’’)4!’4’5）
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槽宽&’DD 为便于井下左右位移，槽长选&’’DD ，回
（如图&）收槽宽为)’DD ，S 型钢总长为) D 。
如图) 所示，在工作面上、下两个端头垂直煤壁各布置四组起吊梁，组与组之间相距!32D 。在运输巷破
碎机至皮带机尾可布置5组起吊梁，顺皮带巷分两排布置，两排相距’3$\!3’D ，为了便于起吊，两排交错布置，两根S 型钢之间相距’3) D 。2
回收S 型钢梁时，可用镐或大锤打掉接顶破板，
待S 型钢梁松动后，再用大锤回收。(
工作面安装起吊梁的布置
结束语
" ! %利用锚索来吊设锚S 型钢梁，可保证起吊设备的安全性，单根锚索的正常锚固力可达&2? 以上，
而综采工作面的最大起吊重量仅(? 多，安全系数可达2。
" &%锚索・S 型钢梁起吊设备不减弱对顶板的支护强度，锚索・S 型钢梁是在锚杆配合锚索有效支护的前提下进行安设的，并不影响支护效果。
" ) %经济效益显著。官地矿近几年平均每年需安装工作面#个，每个工作面按&’根S 型钢梁计算，需使用!(’根，按)2’元]根计算，仅此一项，每年可节约成本(3-万元。
" (%若能改变锚索锁头的形状，利用一种特殊的解锁装置，可以回收锁头的话，将是回收S 型钢的一种更好的发展方向。
（收稿日期：&’’)4’54’!
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