基于有限元分析的GIS 鑄造殼體設(shè)計

張路陽 史春玲 焦瑞浩 宋躍龍

（河南平芝高壓開關(guān)有限公司，平頂山 467013）

隨著國家電網(wǎng)系統(tǒng)的快速發(fā)展，氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）因其結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高獲得了廣泛應(yīng)用。與此同時，GIS 的市場競爭愈發(fā)激烈，各GIS 廠家都在努力開發(fā)更加緊湊、性能更優(yōu)異的GIS 產(chǎn)品。GIS 中焊接鋁合金殼體轉(zhuǎn)為鑄造鋁合金殼體是重點。GIS 運行時，殼體所承受的壓力均來自內(nèi)部充入絕緣介質(zhì)的壓強[1-2]。鑄造殼體或焊接殼體只要能夠滿足GIS 運行時不發(fā)生漏氣、破裂等事故，在使用上并無區(qū)別。與焊接殼體相比，鑄造殼體在大批量生產(chǎn)時成本低，更加適合GIS 緊湊的結(jié)構(gòu)。因此，GIS 中批量的焊接鋁合金殼體逐漸被鑄造鋁合金殼體所代替，而鑄造殼體的設(shè)計也成為GIS 設(shè)計的關(guān)鍵。GIS 中的鑄造殼體同焊接殼體相比，外形結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，不是傳統(tǒng)的柱形、球形容器。鋁合金鑄件的性能會受到鑄造合金材料成分、鑄造工藝方法等多種因素的影響，因此鑄造殼體的設(shè)計、校核通常較為困難，采用人工計算難以完成。目前，通常使用計算軟件模擬鑄造殼體的水壓試驗工況，對其進行有限元分析，通過評定有限元分析的結(jié)果來確定鑄造殼體的設(shè)計是否滿足使用需求。

詳細闡述某電壓等級的GIS 鑄造殼體設(shè)計，采用ANSYS 軟件對鑄造殼體進行有限元分析，得到殼體在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，同時對應(yīng)力較高的位置進行線性化分析處理。依據(jù)《鋼制壓力容器分析設(shè)計標準》（JB 4732—1995）對殼體各部位的應(yīng)力進行強度評定[3]，設(shè)計滿足GIS 設(shè)備需要的鑄造殼體，并通過水壓破壞試驗進行驗證，從而為GIS 設(shè)備的安全可靠運行提供有力保障。

1 鑄造殼體的有限元分析

某電壓等級的GIS 鑄造殼體解析模型，如圖1 所示。殼體正常運行時，工作壓強為0.80 MPa?？紤]溫升、日照等因素的影響，設(shè)計壓強為1.02 MPa。殼體材料為鑄鋁硅鎂合金ZL101A-T6。各蓋板、螺栓材料根據(jù)水壓試驗的情況，解析時選定材料為碳鋼Q345R。這兩種材料通過查詢機械設(shè)計手冊及相關(guān)標準，參數(shù)如表1 和表2 所示。

表1 鑄鋁ZL101A-T6 材料參數(shù)

表2 碳鋼Q345R 材料參數(shù)

圖1 GIS 鑄造殼體解析模型

采用ANSYS 軟件對該殼體進行有限元分析。解析時，設(shè)置條件如下：

（1）殼體下側(cè)蓋板端面設(shè)置為固定約束（Fixed Support）；

（2）各蓋板與殼體法蘭的接觸面約束設(shè)置為摩擦（Frictional），摩擦系數(shù)為0.2，其余的接觸面約束設(shè)置為綁定（Bonded）；

（3）殼體及蓋板的網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為5 mm，螺栓的網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為3 mm；

（4）設(shè)置殼體內(nèi)壁所受壓強為1.02 MPa，各螺栓施加預(yù)緊力。

經(jīng)過ANSYS 的有限元分析，得到殼體在內(nèi)壓（設(shè)計壓強）作用下的應(yīng)力分布情況，如圖2 所示。

圖2 GIS 鑄造殼體應(yīng)力分布

2 應(yīng)力分析及評定

目前，壓力容器設(shè)計對應(yīng)力進行分析時通常采用應(yīng)力分類準則。按照應(yīng)力產(chǎn)生的原因、應(yīng)力分布及對失效的影響，應(yīng)力分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力3 類[4]。一次應(yīng)力指平衡壓力與其他機械載荷的應(yīng)力，是維持結(jié)構(gòu)各部分平衡直接需要的應(yīng)力，無自限性。二次應(yīng)力指為滿足相鄰元件間的約束或結(jié)構(gòu)自身變形的連續(xù)性要求的應(yīng)力，具有自限性。峰值應(yīng)力指附加在一次應(yīng)力和二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量，具有局部性和自限性。其中：一次應(yīng)力包括薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，由施加載荷引起；二次應(yīng)力是由于變形受到限制引起的邊緣應(yīng)力；峰值應(yīng)力是疲勞裂紋產(chǎn)生的根源或可能斷裂的原因，危險程度較低。通常GIS 鑄造殼體設(shè)計時不必考慮峰值應(yīng)力的影響，評定殼體的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力即可。殼體正常工況下的應(yīng)力強度的許用極限，如表3 所示[5]，其中Sm為設(shè)計應(yīng)力強度。

表3 正常工況下應(yīng)力強度的許用極限

根據(jù)圖2 的GIS 鑄造殼體應(yīng)力分布情況可以看出，應(yīng)力最大值位于殼體法蘭的螺栓孔處。殼體螺栓孔處的最大應(yīng)力與解析時設(shè)置的螺栓預(yù)緊力有關(guān)。殼體的螺栓孔位置主要受力為螺栓為了抵抗殼體變形而產(chǎn)生的集中應(yīng)力，殼體在此處受力為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力。按照表3 的應(yīng)力評定分類，殼體螺栓孔位置應(yīng)力強度的許用極限為3Sm（165 MPa），實際應(yīng)力108 MPa 未超過應(yīng)力許用值，判定殼體螺栓孔位置應(yīng)力滿足使用要求。

根據(jù)圖2 的GIS 鑄造殼體應(yīng)力分布情況，除去殼體螺栓孔位置的應(yīng)力集中外，鑄造殼體筒壁部位的應(yīng)力集中主要位于①和②處。其中，應(yīng)力集中①處為鑄造殼體外壁貼片加厚補強部位，應(yīng)力集中②處為鑄造殼體內(nèi)壁圓角過渡部位，兩處應(yīng)力集中均為殼體的結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域。不連續(xù)區(qū)域是殼體某區(qū)域過于復(fù)雜導(dǎo)致的幾何形狀不連續(xù)或者在殼體上開孔導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)，破壞高壓容器結(jié)構(gòu)的完整性，減小高壓容器承載面積，會引起殼體的應(yīng)力或應(yīng)變的變化，影響殼體的安全性能[6]。

對殼體筒壁的應(yīng)力集中部位①、②進行應(yīng)力評定，此處的主要應(yīng)力為一次薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。按照表3的應(yīng)力評定分類，應(yīng)力集中部位①、②位置應(yīng)力強度的許用極限為1.5Sm（82.5 MPa）。通過ANSYS 進行結(jié)果的后處理分析，對兩處位置進行線性化分析處理，建立兩處應(yīng)力集中部位的線性化分析路徑。路徑起始點為分析部位的應(yīng)力最大點，路徑貫穿殼體壁厚且垂直于殼體截面的中面，得到兩處應(yīng)力集中部位的線性化應(yīng)力分析結(jié)果，如圖3 和圖4 所示。

圖3 應(yīng)力集中①部位線性化應(yīng)力分析路徑及結(jié)果

圖4 應(yīng)力集中②部位線性化應(yīng)力分析路徑及結(jié)果

根據(jù)圖3 和圖4 應(yīng)力集中①、②部位的線性化應(yīng)力分析路徑及結(jié)果，可以看出兩處位置沿殼體壁厚的應(yīng)力變化情況。提取兩處位置的最大薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力對其進行強度評定，評定結(jié)果如表4 所示。

表4 兩處應(yīng)力集中部位的強度評定

根據(jù)表4 的強度評定結(jié)果，應(yīng)力集中部位①、②處應(yīng)力未超過許用極限，判定殼體筒壁應(yīng)力集中部位①、②處的應(yīng)力滿足使用要求。綜合殼體螺栓孔位置和筒壁部位的應(yīng)力評定結(jié)果，該殼體的應(yīng)力滿足使用要求。

3 試驗驗證

根據(jù)設(shè)計分析的結(jié)果，對鑄造樣品進行水壓破壞試驗。按照相關(guān)標準的要求，鑄造的鋁殼體水壓破壞試驗壓強是設(shè)計壓強的5 倍。該鑄造殼體的設(shè)計壓強為1.02 MPa，則需保證殼體水壓試驗達到5.10 MPa時不發(fā)生破壞。試驗時，殼體水壓加壓流程按照表5進行，水壓上升速度控制在400 kPa·min-1。

表5 水壓試驗加壓流程

試驗時，殼體在5.10 MPa 下保壓5 min 未發(fā)生破裂及泄壓現(xiàn)象，并繼續(xù)升壓至5.20 MPa 保壓5 min未發(fā)生破裂及泄壓現(xiàn)象，證明該殼體設(shè)計滿足要求。

4 結(jié)論

根據(jù)水壓試驗驗證結(jié)果，GIS 鑄造殼體的有限元分析設(shè)計具有可行性。

（1）對GIS 鑄造殼體進行有限元分析得到殼體的應(yīng)力分布云圖，可知殼體的應(yīng)力集中在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域。

（2）GIS 鑄造殼體的設(shè)計中，對于結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域需考慮一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的影響，一般不考慮峰值應(yīng)力?？山⒎治雎窂竭M行線性化處理，對應(yīng)力集中部位進行強度評定。