基于ANSYS的受風(fēng)吹母線槽通絲吊架研究

陶 杰

(鎮(zhèn)江西門子母線有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212211)

母線槽是一種進(jìn)行大容量電力電能輸送的產(chǎn)品[1]，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量較重和線路長等特點(diǎn)。為了保證母線槽能夠穩(wěn)定可靠地把電能輸送至需要用電的場(chǎng)合，不可避免地要使用相關(guān)支承附件對(duì)母線槽產(chǎn)品進(jìn)行支承，通常使用的支承附件有托臂支架、槽鋼吊架和通絲吊架，它們可根據(jù)母線槽[2]產(chǎn)品的安裝場(chǎng)所和支承要求進(jìn)行選擇。一般來說，托臂支架通常于母線槽產(chǎn)品安裝在較靠近墻體時(shí)使用，通過膨脹螺栓將支架固定于墻面；而槽鋼吊架和通絲吊架則大都通過膨脹螺栓吊裝在建筑物頂部。槽鋼吊架與通絲吊架相比，因其承載能力強(qiáng)，目前多用于雙拼大電流等級(jí)的母線槽產(chǎn)品中，但是由于其安裝比較復(fù)雜，承載重心不平衡的特點(diǎn)，因此槽鋼吊架安裝過程中要保證槽鋼底座的水平以確保母線槽產(chǎn)品支承的水平和穩(wěn)定。而通絲吊架在受外力(例如風(fēng)力等)影響時(shí)變形量會(huì)較大，故需要考察通絲吊架在這些外力下是如何變形的，以及這些變形量是否會(huì)影響通絲吊架整體的穩(wěn)定性和安全性。母線槽通絲吊架安裝圖如圖1所示。

圖1 母線槽通絲吊架安裝圖

1 建立通絲吊架有限元模型

通絲吊架的物理模型[3]是為了進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)和制造來使用的，但如果直接使用此模型進(jìn)行有限元分析則很難滿足有限元分析的要求，因此，需要根據(jù)通絲吊架中不同零部件的重要性進(jìn)行相關(guān)簡(jiǎn)化。

由于重點(diǎn)是考察通絲吊架變形量，因此將通絲吊架中的相關(guān)螺母和墊片進(jìn)行優(yōu)化，省略這些螺母和墊片，并且將余下的零部件模擬成一個(gè)整體的零件，這樣的優(yōu)化并不會(huì)影響通絲吊架中各個(gè)零部件之間的變形量。然后，考慮膨脹螺栓對(duì)于通絲吊架的整體變形量也基本無影響，可以將其也省略掉。最后，考慮用于安置母線槽產(chǎn)品的C型槽鋼，其形狀比較復(fù)雜，為了提升模型的計(jì)算效率，將其簡(jiǎn)化為矩形件，這樣既能夠有效提升模型的計(jì)算時(shí)間，同時(shí)也不會(huì)影響模型的計(jì)算效果。按照上述方法簡(jiǎn)化后的通絲吊架的有限元模型[4-5]如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化后通絲吊架有限元模型

2 通絲吊架在流體場(chǎng)中的受力分析

通絲吊架不但要承受母線槽產(chǎn)品的重量，同時(shí)還受到風(fēng)吹的影響，因此，此類型的問題涉及到流固耦合[6]情況，首先應(yīng)確認(rèn)通絲吊架所承受的風(fēng)載荷是如何分布的，然后將風(fēng)載荷和母線槽產(chǎn)品的重量進(jìn)行疊加，求解通絲吊架的整體變形情況。

目前，使用通絲吊架的場(chǎng)合多是在室內(nèi)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，一般室內(nèi)風(fēng)速約為5 m/s，將通絲吊架在室內(nèi)所受到的風(fēng)速大小設(shè)定為5 m/s，并且按照讓風(fēng)正向吹向通絲吊架，同時(shí)使用布爾運(yùn)算求解得到通絲吊架所處的流體場(chǎng)[7]，使用CFD的網(wǎng)格劃分方式對(duì)通絲吊架所處于的流體場(chǎng)進(jìn)行劃分，然后應(yīng)用Fluent軟件對(duì)流體場(chǎng)中的壓力分布進(jìn)行求解，所得的流場(chǎng)分布情況如圖3所示。

圖3 通絲吊架所受風(fēng)載荷壓力場(chǎng)分布

3 通絲吊架整體受力分析

考慮通絲吊架變形量(見圖4)是受到風(fēng)載荷的影響，而不需要考慮通絲吊架對(duì)其所處的流體場(chǎng)的影響，因此，采用單耦合方式進(jìn)行分析，以便提高計(jì)算的效率。首先采用靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析的方法進(jìn)行分析，并且將流體場(chǎng)進(jìn)行壓縮處理，在對(duì)通絲吊架進(jìn)行添加約束[8]時(shí)，將母線槽產(chǎn)品的重量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的壓力值施加到通絲吊架的C型槽鋼上，并且將之前計(jì)算得到的風(fēng)載荷也轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的壓力值施加到通絲吊架上，這樣就完成了通絲吊架的相關(guān)約束設(shè)定。

a) 整體變形量

b) 底部變形量圖4 通絲吊架變形量

從圖4a可知，通絲吊架整體變形量[9]是從上向下越來越大，頂部由于被固定沒有變形量，而通絲底部沒有約束，因此變形量最大，這一仿真趨勢(shì)與實(shí)際情況是吻合的。實(shí)際使用場(chǎng)景中，物體的變形量都是從約束側(cè)向未約束側(cè)不斷地?cái)U(kuò)大。在仿真過程中，通絲吊架根據(jù)實(shí)際使用情況設(shè)定其承受的母線槽產(chǎn)品的壓力，按照2 000 A電流等級(jí)的母線槽折算其重量，同時(shí)按照每1.5 m來設(shè)置一個(gè)通絲吊架，這樣就能推算出每個(gè)通絲吊架大概承受1.5 m的2 000 A母線槽所產(chǎn)生的壓力，而通絲吊架所承受的風(fēng)載荷情況之前已經(jīng)設(shè)定好了，在此不再贅述。在這些設(shè)定的條件下，通絲吊架的最大變形量約為1.96×10-5m，這樣的變形量是非常微小的，說明正常使用場(chǎng)合中，標(biāo)準(zhǔn)情況下的風(fēng)載荷對(duì)通絲吊架的安全性和穩(wěn)定性影響也是比較小的。

從圖4b可知，通絲吊架所發(fā)生最大變形量的零部件都處于通絲吊架的底部區(qū)域，這一方面是因?yàn)橥ńz吊架中的C型槽鋼承受了母線槽產(chǎn)品的壓力，其會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變形量；另一方面是因?yàn)橥ńz吊架在底部完全是無約束的狀態(tài)，所有的變形量都累積到了這一區(qū)域。從通絲吊架最大的變形量數(shù)值來看，這些零部件的變形量都是比較微小的，也就充分說明了通絲吊架中的這些零部件都沒有發(fā)生塑性形變，同時(shí)也能夠說明通絲吊架整體在承受這樣的載荷情況下是安全可靠的。

4 結(jié)語

通過上述有限元分析結(jié)果，可以得到如下相關(guān)的結(jié)論。

1)通絲吊架的變形量是由固定側(cè)向未固定側(cè)不斷累積的，因此，良好的固定約束能夠有效減小通絲吊架的變形量，并且同時(shí)能夠有效提升通絲吊架的整體穩(wěn)定性和安全性。雖然通絲吊架在相關(guān)載荷的影響下會(huì)承受一定的變形量，但是這些變形量是比較微小的，尤其是在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)載荷的影響下，對(duì)于通絲吊架的變形量更是微小，但是還是需要考慮這一因素的影響，這是因?yàn)橥ńz吊架是一種又細(xì)又長的結(jié)構(gòu)體，此類型結(jié)構(gòu)在受到外部擾動(dòng)的情況下，可能會(huì)造成整體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和破壞，這也就需要通過計(jì)算和仿真來避免這類事故的發(fā)生。

2)針對(duì)通絲吊架變形量的研究和分析，通絲吊架整體發(fā)生變形量最大的零部件是通絲吊桿，雖然C型槽鋼的變形量也是比較大的，但是其變形量并非是由風(fēng)載荷所導(dǎo)致，而是由于母線槽產(chǎn)品的自身重力所引起的，因此，其變形方向與通絲吊桿的變形方向不同，其變形方向與重力方向保持一致，并不會(huì)引起通絲吊架整體的不穩(wěn)定，反而能夠在一定程度上保證通絲吊架的穩(wěn)定性得到有效提升。最后，通絲吊架的穩(wěn)定性和安全性還與通絲吊桿的長度和螺徑有著密切的關(guān)系，目前所建立的模型是按照真實(shí)使用的產(chǎn)品進(jìn)行建立，因此，得到的計(jì)算結(jié)果也能夠說明此類型的通絲吊架是安全可靠[10]的。

3)雖然對(duì)通絲吊架的模型進(jìn)行了一定的優(yōu)化，但是這些優(yōu)化并不會(huì)影響最終的計(jì)算結(jié)果，尤其是在通絲吊架模型中，最容易發(fā)生最大變形量的零部件并沒有進(jìn)行簡(jiǎn)化，這也充分保證了最終計(jì)算結(jié)果的真實(shí)和可靠。

4)通絲吊架模型雖然保證了整體變形量是安全和可靠的，但是并沒有考慮通絲吊架模型的模態(tài)情況以及在不同階模態(tài)[11]情況下是否會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，這也是需要下一步繼續(xù)進(jìn)行研究和完善的地方。