不同有限元单元类型对变压器模态计算的影响

2018-06-14任瑞杰李曼路素银

机械工程师 2018年6期

任瑞杰,李曼,路素银

（保定天威保变电气股份有限公司，河北保定071051）

0 引言

模态分析在工程中应用广泛，因为结构的固有频率与相应的模态结构是设计承受动载结构的关键参数，而模态分析用于计算结构的固有频率和模态形状[1-2]。模态分析主要包括自振频率和振形，是结构动力计算的重要内容,结构的固有模态反映了其刚度指标是瞬态分析、谐响应分析、谱分析的基础[3]。

变压器耐受地震的能力是变压器的基本要求之一，也是重要的性能指标。变压器的抗震结构的优劣将直接影响到产品投运后的安全可靠性。根据变压器安装场地的抗震要求，变压器耐受地震能力设计必须具有足够的安全裕度。利用结构受力仿真分析手段是近几年变压器抗震性能设计的重要手段，对变压器抗震结构设计有极大帮助，其中模态有限元分析法是行之有效的一种分析手段。

大型电力变压器的外形尺寸和体积通常较大，结构也很复杂，如果按实体单元划分网格，节点和单元的数量会很庞大，在计算时不但对计算机的配置要求很高，而且费时。如果在仿真计算时对有限元模型进行处理，对尺寸与壁厚比值较大的部件如油箱、储油柜等进行抽壳处理用壳单元来模拟实体就会大大减少单元数量，提高计算效率。

本文基于ANSYS Workbench软件以简化的变压器油箱模型为例，分别用实体单元和壳单元两种方案进行模态计算，提取了各自前20阶自振频率，并对计算结果进行了对比和总结。

1 有限元模型的建立

1.1 实体模型

用3D软件建立一个简化的变压器油箱模型，包括油箱、储油柜及储油柜支架三部分，为了提高计算效率、避免应力集中带来的不真实结果，建模时对计算结果影响不大的结构进行了简化，如忽略小的倒角和螺纹孔等特征[4]。简化的变压器油箱3D模型如图1所示。

1.2 材料属性

该简化的变压器油箱模型各零部件所用到的材料及其属性如表1所示[4]。

图1 简化的变压器油箱3D模型

表1 Q235刚材料属性

1.3 有限元模型

将图1模型导入到ANSYS Workbench软件中进行网格划分，主要采用六面体单元和四面体单元进行划分，局部连接位置进行了网格细化，细化的部位包括储油柜支架本体、储油柜上与支架接触的位置、油箱上与支架接触的位置，本次模态计算建立了两种有限元模型：1)模型一。所有部件全部用实体单元模拟。2)模型二。利用ANSYS SpaceClaim中的抽取中性面工具，选中实体模型中的两个对应面，程序自动生成中性面，对油箱和储油柜抽中性面，用壳单元模拟，储油柜支架用实体单元划分。划分好网格的有限元模型如图2(模型一)和图3（模型二）所示。

两种有限元模型的单元和节点数对比如表2所示。