基于ANSYS的车载移动变电站预制舱抗机械冲击仿真研究

时间：2022-08-16 14:15:59

关键字：车载移动变电站预制舱机械冲击

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[导读]摘要:通过在ANsys软件中建立车载移动变电站预制舱有限元分析模型,对预制舱在车辆行驶的3个方向上承受《电力设施抗震设计规范》(GB50260一1996)规定的机械冲击载荷进行力学仿真分析。有限元仿真结果显示预制舱各部位应力值较低,同时不存在较明显的应力集中现象,验证了预制舱各部位最大应力值均低于材料屈服极限,满足车载移动变电站相关设计要求。根据以上预制舱结构设计方案进行生产制造,目前该车载移动变电站已经交付使用,运输过程中未出现舱体结构损坏和变形等情况。所述仿真分析方法对预制舱结构设计和生产制造具有较强的指导作用。

引言

车载移动变电站整体结构设计紧凑(图1),机动性强,短时间内即可投入运行[1]。为减少因运输过程中机械冲击造成的电气设备损坏,同时减少运输时剧烈震动对设备的影响,故要求预制舱具有足够的机械强度,能够承受运输过程中因道路颠簸、车辆紧急刹车等引起的机械冲击作用。本文基于CAE仿真技术,在完成预制舱结构设计的同时对其进行力学仿真分析,验证其结构的可靠性,实现降低设计成本、缩短设计周期和提高系统可靠性的目的。

预制舱底架与承重梁主要使用热轧型材,材质为o235,材料主要力学参数如表1所示。

1预制舱有限元建模

在确保计算准确的前提下,为缩短计算耗时,提高仿真分析效率,在预制舱有限元建模中对其几何模型进行相应的简化,进而采用较少的单元或较简单的单元形式完成有限元模型的建立。

本文参考了较多成功实例,对预制舱模型进行了如下简化:

(1)底板框架及侧板梁采用梁单元模拟,截面尺寸通过定义梁截面参数实现:

(2)侧面及顶面面板质量较轻,分析模型中不予考虑:

(3)底面底板采用壳单元模拟,底板厚度通过定义壳截面厚度参数实现:

(4)各柜体和其他部件简化为其质心处质量点,赋予各质量点对应柜体或部件的质量参数:

(5)约束部位为底面四角落及外侧纵梁中间部位。

本文研究的预制舱主要结构形式如下:底架采用工字钢焊接而成,立面上的承重梁为方钢,底板为2.5mm厚度热轧钢板。确保计算准确的前提下,为缩短计算耗时,提高仿真分析效率,建模时将骨架型材全部用BEAM188单元模拟,型材根据设计时选用的型号设置截面section:底板采用sHELL181单元模拟,通过截面section设置其厚度:预制舱内部设备采用MAss21单元模拟,并通过实常数赋值质量与转动惯量等参数。通过APDL参数化设计语言建立的预制舱几何模型如图2所示。

1预制舱约束及冲击载荷施加

预制舱约束及冲击载荷通过以下方式进行施加:

(1)预制舱内设备质点MAss21单元通过刚性梁与底板相应区域节点进行连接。

(2)预制舱通过4个角点处的集装箱锁与半挂车进行固定,故有限元模型中约束方式为固定预制舱模型4个角点处的节点。

(3)冲击加速度通过每个方向单独施加加速度载荷的方式实现。

最终建立的预制舱仿真模型如图3所示。

3预制舱冲击载荷仿真分析

本文根据《电力设施抗震设计规范》(GB50260一1996)并考虑一定安全系数,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中分别对预制舱3个方向的冲击载荷情况进行仿真分析,得到预制舱在各条件下的应力分布云图和变形量分布云图。

图4所示为预制舱在各方向冲击载荷下的应力分布云图。

图5所示为预制舱在各方向冲击载荷下的变形量分布云图。

从图4和图5可得:

(1)水平前后向冲击载荷下预制舱最大变形量为4.5mm,位于底板和箱体顶部侧梁两部位:最大应力值为138MPa,位于底部框架梁与梁的接合部位,远低于材料0235屈服极限235MPa,其他部位应力水平较低,且无应力集中现象。

(2)水平左右向冲击载荷下预制舱最大变形量为14.5mm,位于预制舱顶部纵梁中间部位:最大应力值为114MPa,位于底部框架与侧面梁接合部位,远低于材料0235屈服极限235MPa,其他部位应力水平较低,且无应力集中现象。

(3)垂直上下向冲击载荷下预制舱最大变形量为0.6mm,位于底板中间部位:最大应力值为15.4MPa,位于底部框架梁与梁的接合部位,远低于材料0235屈服极限235MPa,其他部位应力水平较低,且无应力集中现象。

通过仿真可知,3个方向冲击载荷条件下,预制舱最大应力部位出现在预制舱底部框架梁与梁接合部位,主要是由于底部框架上安装开关柜等设备,设备在冲击加速度作用下将力传递到底部框架上,但是最大应力值均低于预制舱材料屈服极限,不会出现永久塑性变形:最大位移出现在底部面板和顶部纵梁中间等部位,主要是由于这些部位局部刚度相比较其他部位低同时支撑跨度较大引起,但是满足通用结构件变形不大于整体长度1/100的要求。

4运输过程验证

2018年10月,该移动变电站由武汉运往山西,在预制舱底板上安装一套冲撞记录仪。运输过程经过一段未铺砌土路,车辆颠簸较严重,图6为运输过程中冲撞记录仪记录的数据中比较有代表性的两个时刻点。