CN115495942A - 一种变压器油箱参数优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及变压器生产制造技术领域，具体为一种变压器油箱参数优化方法。该方法基于有限元理论，以变压器油箱泄露性试验强度、材料使用量最少为优化目标，以变压器油箱箱壁厚度、两侧加强铁尺寸(长、宽、厚)、加强铁之间的间距为约束条件，建立优化数学模型，应用有限元计算软件(ANSYS Workbench)自带的响应面优化模块进行优化参数设定和计算，得到最优结果用以指导变压器油箱实际设计。本发明可以解决油箱由于强度不足或者不合理而最终导致油箱较大塑性变形问题，解决油箱变形过大影响变压器电气绝缘性能得问题，通过优化解决油箱材料设计不合理问题，优化加强铁尺寸和分布问题。
Description
技术领域
本发明涉及变压器生产制造技术领域，具体为一种变压器油箱参数优化方法。
背景技术
目前在对变压油箱的设计时通常根据油箱尺寸和变压器容量进行经验值得设定，包括箱壁、箱底和箱盖的材料厚度以及加强铁的尺寸和布置距离等。然而油箱满足使用要求的条件是通过泄露性试验和抽真空强度试验，在实际生产中常因为油箱强度不足而导致无法通过试验。为了满足油箱设计的强度往往通过增加钢材使用量的方法，这样容易造成材料的浪费；同时按经验尺寸设计的油箱通过试验的方法验证设计强度，一旦强度不足会引起油箱永久性大变形，影响实际情况对油箱的使用，严重时导致油箱报废。以上油箱设计的经验方法会对变压器油箱设计质量、使用质量产生巨大隐患，同时极易造成生产成本的浪费。
中国专利公开号CN110059397A，提出一种低噪声配电变压器油箱设计方法、系统及介质，本发明通过初始参数建立配电变压器的油箱三维模型后，依次通过采用有限元方法评估油箱的绝缘性能与耐压性能、利用有限元方法评估油箱的固有特征频率，建立配电变压器的油箱声场有限元衰减分析模型评估油箱内外声压级差是否满足技术指标要求，在评估过程中进行不断迭代改进设计，最终确定配电变压器最终的油箱材料、外形结构与尺寸参数，完成低噪声油浸式配电变压器油箱设计。该方法基于有限元理论，通过对油箱三维建模后进行仿真分析其固有频率，如果不满足设计要求需要重新人为更改油箱设计参数，并再次进行仿真。该方法每次优化都需要进行油箱的重新建模，存在人工寻优直接导致优化效率低，优化方向不明确等弊端。
发明内容
本发明的目的是提供一种变压器油箱参数优化方法，解决油箱由于强度不足或者材料分布不合理而最终导致油箱较大塑性变形问题，通过优化解决油箱材料设计不合理问题，优化加强铁尺寸和分布问题。
本发明的技术方案是：
一种变压器油箱参数优化方法，基于有限元理论对变压器油箱外壳进行优化计算，包括如下步骤：
(1)打开有限元计算软件添加静力学分析模块，设定材料属性；
(2)进入几何建模模块，根据变压器容量及实际尺寸，初步建立变压器油箱三维模型；
(3)将变压器油箱箱壁厚度、变压器油箱两侧加强铁尺寸、相邻加强铁之间的间距进行参数化设定，定义输入参数；
(4)打开Model加载模型，加载几何模型，划分网格，设定约束条件和边界条件，设定最大变形量为输出参数变量，求解；
(5)添加响应面优化模块，建立与静力学分析模块的连接，进入响应面优化模块设定输入自变量范围，进行响应面优化计算；
(6)计算完毕后进行结果后处理，提取不同输入参数下的输出参数数据图像；
(7)进入响应面优化模块设定输出参数允许变化范围，计算，得到以输出参数为约束的输入参数最优变化范围；
(8)提取优化数据，根据最优输入参数建立变压器油箱模型；
(9)对优化后的模型进行泄露性试验强度验证和变形验证。
所述的变压器油箱参数优化方法，步骤(4)中，对变压器油箱箱底进行固定约束，变压器油箱箱壁加载0.5MPa泄露性试验压力，压力方向垂直于箱壁向外。
所述的变压器油箱参数优化方法，步骤(6)中，如果得到最优结果则根据数据进行变压器油箱建模和设计，如果未得到最优结果则进行二次优化计算。
所述的变压器油箱参数优化方法，步骤(9)中，如果满足优化目标则根据优化参数进行变压器油箱设计；如果强度不满足则重新定义输入参数范围，再次进行优化计算直至得到最优结果。
本发明的设计思想是：
本发明是一种变压器油箱参数优化方法，该方法基于有限元理论，以变压器油箱泄露性试验强度、材料使用量最少为优化目标，以变压器油箱箱壁厚度、两侧加强铁尺寸(长、宽、高)、加强铁之间的间距为约束条件，建立优化数学模型，应用有限元计算软件(ANSYS Workbench)自带的响应面优化模块进行优化参数设定和计算，得到最优结果用以指导变压器油箱实际设计。
本发明的优点及有益效果是：
(1)本发明方法可以避免实际设计时材料使用不合理的问题，降低材料成本；
(2)本发明优化后通过计算机模拟仿真的方法代替试验，在仿真过程中发现问题，避免变压器油箱制造后无法通过各项试验，造成制造成本的极大浪费；
(3)本发明节约生产制造时间，提高变压器油箱设计效率和质量。
附图说明
图1为变压器油箱参数优化方法流程图。
图2为变压器油箱三维模型。图中，1箱盖，2箱壁，3加强铁，4箱底。
图3为优化前的变压器油箱模型。
图4为优化模块流程图。
图5为箱壁厚度-正面加强铁间距(L1)-变形量关系图。图中，X轴代表箱壁厚，即：图7、图8中的P2-Thin4.FD1，单位m；Y轴代表变压器油箱正面位于外侧加强铁至边缘的距离(L1)，即：图7、图8中的P19-Plane8.V20，单位m；Z轴代表最大总变形量，即：图7、图8中的P26-Total DeformationMaximum，单位m。
图6为加强铁宽-加强铁厚-变形量关系图。图中，X轴代表代表加强铁宽，即：图7、图8中的P14-Extrude10.FD1，单位m；Y轴代表加强铁厚，即：图7、图8中的P19-Plane8.V13，单位m；Z轴代表最大总变形量，即：图7、图8中的P26-Total DeformationMaximum，单位m。
图7为响应面优化设置图。
图8为优化后部分尺寸数据表截图。
图9为优化后变压器油箱变形仿真图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明根据变压器生产使用条件设定变压器优化目标(输出参数)、约束条件(输入参数)，运用有限元计算软件设定相关参数进行优化计算，得到目标结果，根据优化结果指导变压器油箱设计。
下面，结合附图和实施例对本发明做进一步详述。
实施例
如图1所示，本发明变压器油箱参数优化方法，该方法以SZ11-8000/35变压器油箱结构为基础，进行参数优化方法过程的分析，分析条件设定为泄露性密封试验强度，具体步骤如下：
(1)打开有限元计算软件(ANSYS Workbench)添加静力学分析模块(StaticStructural)，打开材料库(Engineering Data)赋予油箱用材料属性为结构钢；
(2)如图2所示，进入几何建模模块(Geometry)，根据SZ11-8000/35变压器油箱结构的常用实际尺寸，初步建立变压器油箱三维模型；
(3)如图2所示，将变压器油箱的箱壁2厚度、变压器油箱两侧的加强铁3尺寸(长、宽、厚)、相邻加强铁3之间的间距进行参数化设定，定义输入参数如下：箱壁2厚度参数范围6～10mm，两侧加强铁3尺寸(长、宽、厚)分别为：长度根据箱盖1和箱底4的距离设定为一固定值，宽度参数范围为90～120mm，厚度参数范围为10～20mm。
(4)如图2、图3所示，打开Model加载模型，加载几何模型，划分网格，设定约束条件和边界条件，变压器油箱的箱底4固定约束，变压器油箱的箱壁2加载0.5MPa泄露性试验压力，压力方向垂直于箱壁2向外，设定目标结果并将其设定输出参数变量，进行求解，得到变压器油箱最大变形发生位置为变压器油箱箱壁2中部，最大变形量36.424mm，不满足最大变形量要求(允许最大变形量为30mm)；
(5)如图4所示，添加响应面优化模块(Response Surface Optimization)，建立与静力学分析模块(Static Structural)的连接，进入响应面优化模块设定输入自变量范围，进行响应面优化计算，自变量设定如下表；
如图2所示，变压器油箱外形呈长方体箱体结构，在前、后、左、右四个侧面分别设有竖向的加强铁3，其中：在长度方向排布四个加强铁3，L1代表位于外侧加强铁3至边缘的距离，L2、L3、L4、L5分别代表相邻两个加强铁3的间距；在宽度方向排布一个加强铁3，L6代表该加强铁3至边缘的距离。
如图4所示，响应面优化模块流程如下：
1、静力学模块进行结构分析
1-1、材料设置模块设定油箱材料；
1-2、几何模块导入油箱三维模型，进行油箱参数化标记；
1-3、网格划分模块进行材料赋予和网格划分；
1-4、设置模块进行约束条件设定和参数化设定；
1-5、求解模块计算求解；
1-6、结果后处理模块得到结果进行后处理。
2、参数链接：作用是将静力学模块设定的参数数据传递到响应面优化模块。
3、进入响应面优化模块
3-1、实验点模块设定各参数数值；
3-2、响应面模块(一次优化模块)进行响应面优化计算；
3-3、二次优化模块对约束条件设定许用数值进行二次优化，得到最优结果。
其中：一次优化目的是找到设定输入参数范围对应的所有的试验数据结果。二次优化目的是设定满足约束条件的输出参数范围，在一次优化结果的基础上寻找满足约束条件的所有组合数据，得到最优结果。
(6)如图5、图6所示，计算完毕后进行结果后处理，进入响应面(ResponseSurface)提取不同输入参数约束下的输出参数数据图像，由于篇幅只提取了L1尺寸与箱壁厚尺寸决定的油箱总变形量图(图5)和加强铁的宽度尺寸和厚度尺寸决定的油箱总变形量图(图6)；如果得到最优结果则根据数据进行变压器油箱建模和设计，如果未得到最优结果则在第一次优化数据基础上，进行以输出参数为约束条件的二次优化计算；
(7)如图7所示，进入响应面优化模块(Response Surface Optimization)设定输出参数允许变化范围。由图7右侧表中序号9所示，设定最大允许变形量30mm，其他参数按照第一次优化前输入参数设定保持不变，其原因是：在第一次优化的结果中找到最终满足约束条件的最优结果。
如图8所示，经过计算，得到以输出参数为约束的输入参数最优变化范围分为3组(由于篇幅原因截图数据并不完整)。C列为箱壁厚度8.9～10mm，D～F列为正面加强铁间距，H列为参数价值，选取参数价值最大的一组数据，候选分数Candidate Points为0.014523。
(8)提取优化数据，根据最优输入参数建立变压器油箱模型，提取优化后一组数据如下表：
如图2所示，变压器油箱外形呈长方体箱体结构，在前、后、左、右四个侧面分别设有竖向的加强铁3，其中：在长度方向排布四个加强铁3，L1代表位于外侧加强铁3至边缘的距离，L2、L3、L4、L5分别代表相邻两个加强铁3的间距；在宽度方向排布一个加强铁3，L6代表该加强铁3至边缘的距离。
(9)根据上表优化数据进行建模，并对优化后的模型进行泄露性试验变形强度验证，如果满足优化目标则可以根据优化参数进行变压器油箱设计；如果强度不满足则重新定义输入参数范围，再次进行优化计算直至得到最优结果。
如图9所示，最大变形量为29.139mm，满足最大变形30mm的设计要求。
Claims (4)
1.一种变压器油箱参数优化方法，其特征在于，基于有限元理论对变压器油箱外壳进行优化计算，包括如下步骤：
(1)打开有限元计算软件添加静力学分析模块，设定材料属性；
(2)进入几何建模模块，根据变压器容量及实际尺寸，初步建立变压器油箱三维模型；
(3)将变压器油箱箱壁厚度、变压器油箱两侧加强铁尺寸、相邻加强铁之间的间距进行参数化设定，定义输入参数；
(4)打开Model加载模型，加载几何模型，划分网格，设定约束条件和边界条件，设定最大变形量为输出参数变量，求解；
(5)添加响应面优化模块，建立与静力学分析模块的连接，进入响应面优化模块设定输入自变量范围，进行响应面优化计算；
(6)计算完毕后进行结果后处理，提取不同输入参数下的输出参数数据图像；
(7)进入响应面优化模块设定输出参数允许变化范围，计算，得到以输出参数为约束的输入参数最优变化范围；
(8)提取优化数据，根据最优输入参数建立变压器油箱模型；
(9)对优化后的模型进行泄露性试验强度验证和变形验证。
2.按照权利要求1所述的变压器油箱参数优化方法，其特征在于，步骤(4)中，对变压器油箱箱底进行固定约束，变压器油箱箱壁加载0.5MPa泄露性试验压力，压力方向垂直于箱壁向外。
3.按照权利要求1所述的变压器油箱参数优化方法，其特征在于，步骤(6)中，如果得到最优结果则根据数据进行变压器油箱建模和设计，如果未得到最优结果则进行二次优化计算。
4.按照权利要求1所述的变压器油箱参数优化方法，其特征在于，步骤(9)中，如果满足优化目标则根据优化参数进行变压器油箱设计；如果强度不满足则重新定义输入参数范围，再次进行优化计算直至得到最优结果。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116705483A (zh) * | 2023-06-21 | 2023-09-05 | 正泰电气股份有限公司 | 变压器油箱强度优化方法 |
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2021
- 2021-06-17 CN CN202110673523.2A patent/CN115495942A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN116705483A (zh) * | 2023-06-21 | 2023-09-05 | 正泰电气股份有限公司 | 变压器油箱强度优化方法 |
| CN116705483B (zh) * | 2023-06-21 | 2024-03-22 | 正泰电气股份有限公司 | 变压器油箱强度优化方法 |
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