CN110674602B - 一种机车主变压器油箱设计方法及强度仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

一种机车主变压器油箱强度仿真分析方法及设计方法，建立变压器器身和油箱的实体模型；在ANSYS Workbench有限元分析软件中进行网格划分；进行器身和油箱模拟，得到模拟结构；对所述模拟结构施加载荷并进行计算分析，得到分析结果。本发明通过在ANSYS Workbench有限元分析软件中进行有限元网格划分，并对模拟结构施加载荷进行分析，保证了机车主变压器油箱强度仿真分析的准确性，通过以绑定接触对形式将质量点与垫块连接，模拟成整体结构；将所述的整体结构的垫块与油箱摩擦接触连接，在抽真空状态下，也能模拟变压器器身对油箱箱盖及箱体侧壁的支撑作用，简化了计算过程，油箱承受某一方向上的加速度载荷时，反方向上的分离趋势也能模拟出来。

Description

一种机车主变压器油箱设计方法及强度仿真分析方法

技术领域

本发明涉及机车设计技术领域，尤其涉及一种机车主变压器油箱设计方法及强度仿真分析方法。

背景技术

某些型号的机车主变压器通过安装梁采用螺栓预紧安装在机车车体底架上，变压器器身及附属设备置于油箱内。变压器器身一方面通过支座坐落在油箱的箱底上，另一方面通过圆盘形、锲形等支座与油箱四个侧壁连接。从而器身就可以被油箱的箱底和四个侧壁完全约束住，它们之间是摩擦接触连接关系。

为了保证机车主变压器油箱的安全性，需要对设计的主变压器油箱进行有限元仿真分析，在有限元仿真分析中，器身惯性力的模拟施加方法，直接影响到油箱强度仿真分析的效率及准确性。

目前，变压器器身惯性力模拟施加方法有多种，但在不同程度上都存在一定的缺点。

现有技术的第一种惯性力模拟施加方法为直接加力法。按照各工况下机车纵向、横向、垂向不同的加速度载荷，分别计算出器身对应的惯性力值，以集中力或分布力的形式施加在油箱箱体对应的支座位置。这种施加方法在模拟抽真空工况时，不能模拟出变压器器身对油箱箱盖及箱体侧壁的支撑作用，导致箱盖及箱体侧壁计算后得到的应力大小及位移变形与实际误差较大。在某些工况下油箱是在两个或三个方向的加速度载荷同时作用的，则油箱与器身连接的各个支座所承受的载荷分布及其大小计算过程比较繁琐。

现有技术的第二种惯性力施加方法为直接梁单元法。在器身质心位置建立质量点，直接以梁单元使其与各支座相连接，在质量点上施加各方向加速度载荷。计算软件根据各支座位置，自动计算油箱上各支座所承受的载荷。该方法能模拟出变压器器身对顶盖及箱体侧壁的支撑作用，也能自动计算油箱上各支座所承受的载荷。但是油箱在承受某个方向上的加速度载荷时，由于器身与油箱侧壁是摩擦接触连接关系，反方向上油箱侧壁上的支座实际是不承受变压器器身的惯性力，即器身与油箱侧壁上支座实际是分离趋势，直接梁单元法不能模拟这一状态，导致了计算结果的偏差。

基于此，现有技术仍然有待改进。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提出一种机车主变压器油箱设计方法及强度仿真分析方法。

一方面，本发明实施例所公开的一种机车主变压器油箱强度仿真分析方法，包括以下步骤：

S1建立主变压器器身和油箱的实体模型；

S2在ANSYS Workbench有限元分析软件中进行有限元网格划分；

S3进行器身和油箱模拟，得到模拟结构；

S4对所述模拟结构施加载荷并进行计算分析，得到分析结果。

进一步地，所述器身和油箱模拟包括：

将变压器器身重量在变压器器身的质心以质量点的形式模拟；

以绑定接触对形式将质量点与垫块连接，模拟成整体结构；

将所述的整体结构的垫块与油箱摩擦接触连接。

进一步地，所述器身和油箱模拟还包括：

对油箱箱体和箱盖抽取中面后，采用板壳单元对模型进行网格划分。

进一步地，所述器身和油箱模拟还包括：

将油箱箱体与箱盖绑定接触连接。

进一步地，所述器身和油箱模拟还包括：

对垫块和座板采用实体单元进行网格划分。

进一步地，还包括：

若所述分析结果符合设计要求，则完成；

若所述分析结果不符合设计要求，则修改所述实体模型后重复S2至S4。

进一步地，所述建立主变压器器身和油箱的实体模型在CAD软件中进行。

本发明实施例还公开了一种机车主变压器油箱设计方法，采用上述的机车主变压器油箱强度仿真分析方法进行分析。

进一步地，基于所述分析结果对主变压器油箱的设计进行调整。

采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：

本发明通过在ANSYS Workbench有限元分析软件中进行有限元网格划分，并对模拟结构施加载荷进行分析，保证了机车主变压器油箱强度仿真分析的准确性，通过以绑定接触对形式将质量点与垫块连接，模拟成整体结构；将所述的整体结构的垫块与油箱摩擦接触连接，在抽真空状态下，也能模拟变压器器身对油箱箱盖及箱体侧壁的支撑作用，简化了计算过程，油箱承受某一方向上的加速度载荷时，反方向上的分离趋势也能模拟出来。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1-图4为本发明一实施例的油箱与器身结构示意图；

图5为本发明一实施例的顶盖与器身结构示意图；

图6为本发明一实施例的垫块结构示意图；

图7为本发明一实施例的器身质心与垫块连接示意图；

图8-图14为本发明一实施例的示意图；

图15为本发明一实施例的机车主变压器油箱仿真强度分析流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

本发明一实施例公开了一种机车主变压器油箱强度仿真分析方法，如图15所示，包括以下步骤：

S1建立变压器器身2和油箱的实体模型；

S2在ANSYS Workbench有限元分析软件中进行有限元网格划分；

S3进行器身2和油箱模拟，得到模拟结构；

S4对所述模拟结构施加载荷并进行计算分析，得到分析结果。

本发明一些实施例，在上述实施例的基础上，所述器身2和油箱模拟包括：

将变压器器身2重量在变压器器身2的质心以质量点的形式模拟；

以绑定接触对形式将质量点与垫块3连接，模拟成整体结构；

将所述的整体结构的垫块3与油箱摩擦接触连接。

本发明一些优选的实施例中，所述器身2和油箱模拟还包括：对油箱箱体1和箱盖5抽取中面后，采用板壳单元对模型进行网格划分。将油箱箱体1与箱盖5绑定接触连接。

具体地，在上述实施例的基础上得到的分析结果，若所述分析结果符合设计要求，则完成，及设计符合要求；若所述分析结果不符合设计要求，则修改所述实体模型后重新进行强度仿真分析，即重复S2至S4。

上述实施例中，所述建立主变压器器身2和油箱的实体模型在CAD软件中进行。

本发明实施例还公开了一种机车主变压器油箱设计方法，采用上述的机车主变压器油箱强度仿真分析方法进行分析。基于所述分析结果对主变压器油箱的设计进行调整。

实施例

--实体模型建立

利用CAD软件Creo建立某型机车主变压器三维实体模型。

--有限元网格划分

导入ANSYS Workbench有限元分析软件，对油箱箱体1和箱盖5抽取中面后，采用板壳单元对模型进行网格划分。垫块3及座板4采用实体单元进行网格划分。--器身2模拟

(1)器身2整体简化为刚形体。器身2与油箱箱体1及箱盖5的连接关系示意图详见图1～图5。其中，座板4焊接在箱体1或箱盖5上；垫块3与器身2之间、垫块3与座板4之间为摩擦接触连接关系；器身2通过垫块3固定在油箱箱体1内；箱盖5通过垫块3从而在抽真空工况时，可利用器身2对其支撑作用而减小变形。

(2)在Workbench软件中，在器身2质心位置建立Point Mass质量点，以模拟器身2质量；如图6，图7所示，图6为垫块3示意图，图7为器身2质心与垫块3连接示意图。把质量点与上述垫块3连接起来，使得器身2质心与垫块3模拟成为一个整体，其中Point Mass质量点属性设置为“Rigid”，如图8所示。

(3)在Workbench软件中，垫块3与油箱座板4之间接触连接关系设置为摩擦；座板4与箱体1或箱盖5之间接触连接关系设置为绑定；油箱体1与油箱盖5之间接触连接关系设置为绑定。--工况设置及边界条件

以纵向正向冲击(x轴正向)和纵向反向冲击(x轴负向)两个工况作为代表工况，说明本发明在实施案例中的应用。纵向正向冲击工况时，如图9所示，油箱承受器身2的垂向重力和纵向正向惯性力，及油的静水压力；纵向反向冲击工况时，如图10所示，油箱承受器身2的垂向重力和纵向反向惯性力，及油的静水压力。

--计算结果分析

纵向正向冲击工况时，如图11、12所示，从应力云图可见，器身2惯性力沿x轴正向，通过垫块3、垫板施加在油箱对应的侧壁上，但是其相对面的侧壁不乘受惯性力；

纵向反向冲击工况时，如图13、14所示，从应力云图可见，器身2惯性力沿x轴负向，通过垫块3、垫板施加在油箱对应的侧壁上，但是其相对面的侧壁不乘受惯性力。

本实施例所公开的机车主变压器油箱仿真强度分析方法的流程如图15所示，首先建立实体模型，导入ANSYS Workbench，进行有限元网格划分，接着进行器身模拟，然后根据工况设置，施加载荷进行计算求解并分析结果。如果油箱强度计算分析结果不符合设计标准要求，再修改模型重新计算。在Workbench软件中变压器器身重量在其质心以质量点的形式模拟，以绑定接触对形式，把质量点与器身垫块连接起来，使得器身与垫块模拟成为一个整体，并设置垫块与油箱连接关系为摩擦接触。能模拟出变压器器身对顶盖及箱体侧壁的支撑作用。在油箱上各支座承受载荷时能自动计算载荷数值。能模拟器身与油箱侧壁的摩擦接触连接关系，从而在器身与油箱侧壁上支座座板呈分离趋势时，该支座座板不承受载荷。

需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。

以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种机车主变压器油箱强度仿真分析方法，其特征在于，

S1建立变压器器身和油箱的实体模型；

S2在ANSYS Workbench有限元分析软件中进行网格划分；

S3进行器身和油箱模拟，得到模拟结构；

S4对所述模拟结构施加载荷并进行计算分析，得到分析结果；

所述器身和油箱模拟包括：

将变压器器身重量在变压器器身的质心以质量点的形式模拟；

以绑定接触对形式将质量点与垫块连接，模拟成整体结构；

将所述的整体结构的垫块与油箱摩擦接触连接；

对油箱箱体和箱盖抽取中面后，采用板壳单元对模型进行网格划分；

对垫块和座板采用实体单元进行网格划分；

将油箱箱体与箱盖绑定接触连接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

若所述分析结果符合设计要求，则完成；

若所述分析结果不符合设计要求，则修改所述实体模型后重复S2至S4。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立主变压器器身和油箱的实体模型在CAD软件中进行。

4.一种机车主变压器油箱设计方法，其特征在于，采用权利要求1-3任意一项所述的机车主变压器油箱强度仿真分析方法进行分析，并得出分析结果。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于所述分析结果对主变压器油箱的设计进行调整。

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