引言

車載移動變電站整體結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊(圖1),機動性強,短時間內(nèi)即可投入運行[1]。為減少因運輸過程中機械沖擊造成的電氣設(shè)備損壞,同時減少運輸時劇烈震動對設(shè)備的影響,故要求預(yù)制艙具有足夠的機械強度,能夠承受運輸過程中因道路顛簸、車輛緊急剎車等引起的機械沖擊作用。本文基于CAE仿真技術(shù),在完成預(yù)制艙結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時對其進行力學(xué)仿真分析,驗證其結(jié)構(gòu)的可靠性,實現(xiàn)降低設(shè)計成本、縮短設(shè)計周期和提高系統(tǒng)可靠性的目的。

預(yù)制艙底架與承重梁主要使用熱軋型材,材質(zhì)為o235,材料主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1預(yù)制艙有限元建模

在確保計算準(zhǔn)確的前提下,為縮短計算耗時,提高仿真分析效率,在預(yù)制艙有限元建模中對其幾何模型進行相應(yīng)的簡化,進而采用較少的單元或較簡單的單元形式完成有限元模型的建立。

本文參考了較多成功實例,對預(yù)制艙模型進行了如下簡化:

(1)底板框架及側(cè)板梁采用梁單元模擬,截面尺寸通過定義梁截面參數(shù)實現(xiàn):

(2)側(cè)面及頂面面板質(zhì)量較輕,分析模型中不予考慮:

(3)底面底板采用殼單元模擬,底板厚度通過定義殼截面厚度參數(shù)實現(xiàn):

(4)各柜體和其他部件簡化為其質(zhì)心處質(zhì)量點,賦予各質(zhì)量點對應(yīng)柜體或部件的質(zhì)量參數(shù):

(5)約束部位為底面四角落及外側(cè)縱梁中間部位。

本文研究的預(yù)制艙主要結(jié)構(gòu)形式如下:底架采用工字鋼焊接而成,立面上的承重梁為方鋼,底板為2.5mm厚度熱軋鋼板。確保計算準(zhǔn)確的前提下,為縮短計算耗時,提高仿真分析效率,建模時將骨架型材全部用BEAM188單元模擬,型材根據(jù)設(shè)計時選用的型號設(shè)置截面section:底板采用sHELL181單元模擬,通過截面section設(shè)置其厚度:預(yù)制艙內(nèi)部設(shè)備采用MAss21單元模擬,并通過實常數(shù)賦值質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)。通過APDL參數(shù)化設(shè)計語言建立的預(yù)制艙幾何模型如圖2所示。

1預(yù)制艙約束及沖擊載荷施加

預(yù)制艙約束及沖擊載荷通過以下方式進行施加:

(1)預(yù)制艙內(nèi)設(shè)備質(zhì)點MAss21單元通過剛性梁與底板相應(yīng)區(qū)域節(jié)點進行連接。

(2)預(yù)制艙通過4個角點處的集裝箱鎖與半掛車進行固定,故有限元模型中約束方式為固定預(yù)制艙模型4個角點處的節(jié)點。

(3)沖擊加速度通過每個方向單獨施加加速度載荷的方式實現(xiàn)。

最終建立的預(yù)制艙仿真模型如圖3所示。

3預(yù)制艙沖擊載荷仿真分析

本文根據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50260一1996)并考慮一定安全系數(shù),在水平前后、水平左右方向施加3g加速度,在垂直上下方向施加2g加速度。

在ANsYs中分別對預(yù)制艙3個方向的沖擊載荷情況進行仿真分析,得到預(yù)制艙在各條件下的應(yīng)力分布云圖和變形量分布云圖。

圖4所示為預(yù)制艙在各方向沖擊載荷下的應(yīng)力分布云圖。

圖5所示為預(yù)制艙在各方向沖擊載荷下的變形量分布云圖。

從圖4和圖5可得:

(1)水平前后向沖擊載荷下預(yù)制艙最大變形量為4.5mm,位于底板和箱體頂部側(cè)梁兩部位:最大應(yīng)力值為138MPa,位于底部框架梁與梁的接合部位,遠低于材料0235屈服極限235MPa,其他部位應(yīng)力水平較低,且無應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)水平左右向沖擊載荷下預(yù)制艙最大變形量為14.5mm,位于預(yù)制艙頂部縱梁中間部位:最大應(yīng)力值為114MPa,位于底部框架與側(cè)面梁接合部位,遠低于材料0235屈服極限235MPa,其他部位應(yīng)力水平較低,且無應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)垂直上下向沖擊載荷下預(yù)制艙最大變形量為0.6mm,位于底板中間部位:最大應(yīng)力值為15.4MPa,位于底部框架梁與梁的接合部位,遠低于材料0235屈服極限235MPa,其他部位應(yīng)力水平較低,且無應(yīng)力集中現(xiàn)象。

通過仿真可知,3個方向沖擊載荷條件下,預(yù)制艙最大應(yīng)力部位出現(xiàn)在預(yù)制艙底部框架梁與梁接合部位,主要是由于底部框架上安裝開關(guān)柜等設(shè)備,設(shè)備在沖擊加速度作用下將力傳遞到底部框架上,但是最大應(yīng)力值均低于預(yù)制艙材料屈服極限,不會出現(xiàn)永久塑性變形:最大位移出現(xiàn)在底部面板和頂部縱梁中間等部位,主要是由于這些部位局部剛度相比較其他部位低同時支撐跨度較大引起,但是滿足通用結(jié)構(gòu)件變形不大于整體長度1/100的要求。

4運輸過程驗證

2018年10月,該移動變電站由武漢運往山西,在預(yù)制艙底板上安裝一套沖撞記錄儀。運輸過程經(jīng)過一段未鋪砌土路,車輛顛簸較嚴(yán)重,圖6為運輸過程中沖撞記錄儀記錄的數(shù)據(jù)中比較有代表性的兩個時刻點。

綜合其中數(shù)據(jù)得到水平前后方向最大沖擊加速度為2.8g,水平左右方向最大為1.4g,垂直上下方向最大為1.3g。

運輸?shù)酵哆\現(xiàn)場后,預(yù)制艙未出現(xiàn)變形、斷裂等現(xiàn)象,同時經(jīng)過相關(guān)投運前試驗檢驗,艙內(nèi)設(shè)備未出現(xiàn)故障。通過以上實際運輸過程中測試的沖擊加速度和仿真計算的加速度進行比較,驗證了預(yù)制艙結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足車載運輸條件下抗沖擊過載要求。

5結(jié)論

本文運用有限元仿真技術(shù),通過ANsYs軟件建立了車載移動變電站預(yù)制艙有限元仿真模型,并對其進行了沖擊載荷下的動力學(xué)分析,得到主要結(jié)論如下：

（1）通過以上分析,可以得到預(yù)制艙結(jié)構(gòu)滿足移動變電站運輸過程中沖擊過載條件下抗沖擊載荷要求。

（2）通過實際運輸過程中在預(yù)制艙底板上安裝沖撞記錄儀,記錄運輸過程中的沖擊加速度載荷。在未鋪砌土路的惡劣路況下實際沖擊加速度與仿真設(shè)計值較接近,運輸完成后預(yù)制艙未出現(xiàn)變形、斷裂等現(xiàn)象,驗證了仿真計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時進一步證明預(yù)制艙結(jié)構(gòu)滿足移動變電站運輸過程中沖擊過載條件下抗沖擊載荷要求。

（3）該仿真分析方法為車載移動變電站設(shè)計提供了有力的支撐,可以運用到主變壓器、HG1s組合開關(guān)以及開關(guān)柜等電力設(shè)備上,驗證設(shè)備運輸過程中抗沖擊載荷性能。