雙層預(yù)制艙風(fēng)載工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

方春陽(yáng) 謝春洋* 殷帥兵

0 引言

隨著城市用電負(fù)荷快速增長(zhǎng)，根據(jù)經(jīng)濟(jì)和系統(tǒng)安全的考慮，需要在城市中心區(qū)域大量新建變電站，預(yù)制式二次設(shè)備艙是實(shí)現(xiàn)智能變電站標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化加工、裝配式建設(shè)的重要保證，對(duì)智能變電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1-2]。城市中心區(qū)域寸土寸金，加劇了變電站建設(shè)一直存在的征地難、建設(shè)難、落地難等一系列難題。預(yù)裝式多層設(shè)備集成艙（以下簡(jiǎn)稱多層預(yù)制艙）結(jié)構(gòu)研制是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)配送式智能變電站集成度高、占地面積小、建站周期短、工廠預(yù)制化程度高的重要保證，因此大力研究預(yù)裝式多層設(shè)備集成艙具有十分重要的意義。

雙層預(yù)制艙的簡(jiǎn)化模型如圖1 所示。不同于鋼筋水泥類建筑采用一體式混凝土結(jié)構(gòu)，雙層艙艙體骨架分上下兩層，每層骨架整體焊接，上下層骨架堆積需要保證足夠的強(qiáng)度和剛度，箱體在起吊、運(yùn)輸和安裝時(shí)不應(yīng)變形或損壞。由于受到運(yùn)輸高度、寬度影響，箱體在起吊、運(yùn)輸時(shí)均按照單艙處理，根據(jù)前期工作積累，這部分的艙體安全較為可靠[3]。通過仿真分析，對(duì)艙體風(fēng)載進(jìn)行方案可靠性驗(yàn)證是十分有效的手段[4]。本次預(yù)制艙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度力學(xué)仿真分析主要從正面受12 級(jí)風(fēng)工況進(jìn)行有限元分析，計(jì)算出零部件應(yīng)力、位移的分布圖，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和設(shè)計(jì)方案的合理性。

圖1 多層艙艙體模型

1 仿真條件

1.1 風(fēng)壓力計(jì)算

根據(jù)相關(guān)國(guó)標(biāo)要求，預(yù)制艙在工作環(huán)境中最大受風(fēng)風(fēng)力為12 級(jí)，即風(fēng)速不超過34 m/s。將12 級(jí)風(fēng)等效風(fēng)壓作用在預(yù)制艙正面的側(cè)面豎立柱上，相當(dāng)于在正壓區(qū)施加12級(jí)風(fēng)所產(chǎn)生的風(fēng)壓力。風(fēng)壓力計(jì)算公式采用GB/T 4797.5-2008 第5.7 節(jié)的公式[5]。

F=0.65v2A

式中，F(xiàn)-風(fēng)力，牛頓（N）；v-平均風(fēng)速，米每秒（m/s）；A-平板面積（m2）。

預(yù)制艙側(cè)封板面積A下層艙=17 200 mm*3400 mm=58.48 m2；A 上層艙=14 200 mm *2 800 mm = 39.76 m2。

12 級(jí)風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)壓力為：

F下層艙=0.65v2A=0.65×342×58.48≈43 941.87 N

F上層艙=0.65v2A=0.65×342×39.76≈29 875.66 N

在仿真時(shí)艙體圍框，包括鈑金板、保溫板以及其他附件會(huì)影響仿真速度和精度，經(jīng)過計(jì)算風(fēng)載后，將圍框部分刪除，將風(fēng)載施加在立柱上。艙體的重力方面，軟件自動(dòng)計(jì)算艙體框架重量，重力加速度為9.8 m/s2，鋼材密度為7 890 kg/m3，圍框重量經(jīng)計(jì)算后通過載荷的形式加載在四周槽鋼中。仿真受力信息詳見下表。

表1 受力分析

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解精度、求解收斂性和求解速度。細(xì)化網(wǎng)格可以使計(jì)算結(jié)果更精確，但是會(huì)增加CPU 計(jì)算時(shí)間、需要更大的存儲(chǔ)空間。因此，網(wǎng)格劃分時(shí)需要權(quán)衡計(jì)算成本和細(xì)化網(wǎng)格之間的矛盾。本文網(wǎng)格劃分最小縫隙等級(jí)0.47 mm，共有422 280 個(gè)有限元網(wǎng)格單元，有1 145 099 個(gè)有限元節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

下圖為仿真中受力情況示意圖，其中A 表示重力，B 顯示為固定約束，表示艙體是在地面進(jìn)行固定的。C 表示為上層艙體所承受的風(fēng)載，D、E 表示為下層艙體受到的風(fēng)載，F(xiàn)/G 分別是上下層圍框所受到的載荷。受力詳細(xì)參數(shù)按照表1 設(shè)置。

圖3 受力示意圖

2 仿真分析

圖4 為艙體應(yīng)力示意圖。從上圖可以看到最大應(yīng)力約為53MPa，遠(yuǎn)小于鋼材235MPa 屈服強(qiáng)度，因此艙體結(jié)構(gòu)安全是足夠保證的，說明此種結(jié)構(gòu)安全可靠。最大應(yīng)力發(fā)生在上層艙體的底部和下層艙體的底部，原因在于下層艙通過焊接方式與現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)相連接，上層艙底座通過多點(diǎn)螺栓和焊接方式與下層艙頂部框架連接，在受到正向風(fēng)力作用時(shí)，立柱與上下圍框的接觸長(zhǎng)度最短，應(yīng)力最大。

圖4 應(yīng)力示意圖

圖5 為艙體整體應(yīng)變示意圖。整艙最大應(yīng)變?yōu)?.3 mm，屬于彈性變形區(qū)間，不會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。產(chǎn)生較大變形的位置在上層艙的上半部分，原因在于艙體整體與底部基礎(chǔ)產(chǎn)生約束，在受到正面風(fēng)載時(shí)，遠(yuǎn)離地面約束的地方受到力矩最大，造成變形量最大。

圖5 應(yīng)變示意圖

3 結(jié)論

從仿真分析結(jié)果可以看出：

（1）最大應(yīng)變出現(xiàn)在上層艙體的頂部，最大變形量為0.3 mm；最大應(yīng)力在上下艙之間交界處，最大應(yīng)力為53MPa，遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力，因此艙體整體安全。

（2）在進(jìn)行艙體設(shè)計(jì)時(shí)需要注意艙體底部的連接強(qiáng)度，在上下艙之間可采用多點(diǎn)螺栓固定或斷續(xù)焊等形式加強(qiáng)上下艙之間的連接強(qiáng)度。