方春阳 谢春洋* 殷帅兵

0 引言

随着城市用电负荷快速增长，根据经济和系统安全的考虑，需要在城市中心区域大量新建变电站，预制式二次设备舱是实现智能变电站标准化设计、工厂化加工、装配式建设的重要保证，对智能变电站的安全、稳定运行起着至关重要的作用[1-2]。城市中心区域寸土寸金，加剧了变电站建设一直存在的征地难、建设难、落地难等一系列难题。预装式多层设备集成舱（以下简称多层预制舱）结构研制是进一步实现标准配送式智能变电站集成度高、占地面积小、建站周期短、工厂预制化程度高的重要保证，因此大力研究预装式多层设备集成舱具有十分重要的意义。

双层预制舱的简化模型如图1 所示。不同于钢筋水泥类建筑采用一体式混凝土结构，双层舱舱体骨架分上下两层，每层骨架整体焊接，上下层骨架堆积需要保证足够的强度和刚度，箱体在起吊、运输和安装时不应变形或损坏。由于受到运输高度、宽度影响，箱体在起吊、运输时均按照单舱处理，根据前期工作积累，这部分的舱体安全较为可靠[3]。通过仿真分析，对舱体风载进行方案可靠性验证是十分有效的手段[4]。本次预制舱结构强度力学仿真分析主要从正面受12 级风工况进行有限元分析，计算出零部件应力、位移的分布图，验证结构的强度和设计方案的合理性。

图1 多层舱舱体模型

1 仿真条件

1.1 风压力计算

根据相关国标要求，预制舱在工作环境中最大受风风力为12 级，即风速不超过34 m/s。将12 级风等效风压作用在预制舱正面的侧面竖立柱上，相当于在正压区施加12级风所产生的风压力。风压力计算公式采用GB/T 4797.5-2008 第5.7 节的公式[5]。

F=0.65v2A

式中，F-风力，牛顿（N）；v-平均风速，米每秒（m/s）；A-平板面积（m2）。

预制舱侧封板面积A下层舱=17 200 mm*3400 mm=58.48 m2；A 上层舱=14 200 mm *2 800 mm = 39.76 m2。

12 级风产生的风压力为：

F下层舱=0.65v2A=0.65×342×58.48≈43 941.87 N

F上层舱=0.65v2A=0.65×342×39.76≈29 875.66 N

在仿真时舱体围框，包括钣金板、保温板以及其他附件会影响仿真速度和精度，经过计算风载后，将围框部分删除，将风载施加在立柱上。舱体的重力方面，软件自动计算舱体框架重量，重力加速度为9.8 m/s2，钢材密度为7 890 kg/m3，围框重量经计算后通过载荷的形式加载在四周槽钢中。仿真受力信息详见下表。

表1 受力分析

1.2 网格划分

网格质量直接影响到求解精度、求解收敛性和求解速度。细化网格可以使计算结果更精确，但是会增加CPU 计算时间、需要更大的存储空间。因此，网格划分时需要权衡计算成本和细化网格之间的矛盾。本文网格划分最小缝隙等级0.47 mm，共有422 280 个有限元网格单元，有1 145 099 个有限元节点，网格划分结果如图2 所示。

图2 网格划分示意图

下图为仿真中受力情况示意图，其中A 表示重力，B 显示为固定约束，表示舱体是在地面进行固定的。C 表示为上层舱体所承受的风载，D、E 表示为下层舱体受到的风载，F/G 分别是上下层围框所受到的载荷。受力详细参数按照表1 设置。

图3 受力示意图

2 仿真分析

图4 为舱体应力示意图。从上图可以看到最大应力约为53MPa，远小于钢材235MPa 屈服强度，因此舱体结构安全是足够保证的，说明此种结构安全可靠。最大应力发生在上层舱体的底部和下层舱体的底部，原因在于下层舱通过焊接方式与现场基础相连接，上层舱底座通过多点螺栓和焊接方式与下层舱顶部框架连接，在受到正向风力作用时，立柱与上下围框的接触长度最短，应力最大。

图4 应力示意图

图5 为舱体整体应变示意图。整舱最大应变为0.3 mm，属于弹性变形区间，不会对强度产生影响。产生较大变形的位置在上层舱的上半部分，原因在于舱体整体与底部基础产生约束，在受到正面风载时，远离地面约束的地方受到力矩最大，造成变形量最大。

图5 应变示意图

3 结论

从仿真分析结果可以看出：

（1）最大应变出现在上层舱体的顶部，最大变形量为0.3 mm；最大应力在上下舱之间交界处，最大应力为53MPa，远小于屈服应力，因此舱体整体安全。

（2）在进行舱体设计时需要注意舱体底部的连接强度，在上下舱之间可采用多点螺栓固定或断续焊等形式加强上下舱之间的连接强度。