為了保證機(jī)車高速運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)盡量節(jié)省空間，減小重量，機(jī)車變壓器大多采用車底吊掛方式安裝，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，這就要求變壓器油箱應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中采用了ANSYS軟件對(duì)變壓器油箱的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行了有限元計(jì)算，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性，并且根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而為變壓器油箱的結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)并優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)品的可靠性。保證其在滿足強(qiáng)度的同時(shí)達(dá)到小型化、輕量化。現(xiàn)以“中華之星”高速機(jī)車變壓器為例，對(duì)此計(jì)算方法做詳細(xì)的介紹。

　　1理論依據(jù)ANSYS軟件主要是采用有限元計(jì)算方法，有限元法是適應(yīng)于使用電子計(jì)算機(jī)而發(fā)展起來(lái)的一種新穎和有效的數(shù)值計(jì)算方法。這種算法的特點(diǎn)是由整體到分塊，再?gòu)姆謮K組集成整體，采用分塊近似插值函數(shù)去逼近整體連續(xù)函數(shù)，可使連續(xù)體力學(xué)問題得到整體離散逼近、分塊連續(xù)的近似數(shù)值解，得到較精確的計(jì)算結(jié)果。

　　由于牽引變壓器為空間薄壁結(jié)構(gòu)，根據(jù)薄板彎曲理論，薄板的變形和應(yīng)力狀態(tài)，完全由板中面的撓度《（x，y）所決定。所以，撓度計(jì)算公式應(yīng)為：w= 5e單元的節(jié)點(diǎn)位移陣列。

　　應(yīng)變計(jì)算公式為：?jiǎn)卧獞?yīng)變矩陣。

　　應(yīng)力計(jì)算公式為：?jiǎn)卧獌?nèi)任點(diǎn)應(yīng)力列陣；一材料的彈性矩陣；單元的初應(yīng)變列陣。

　　2軟件介紹本次計(jì)算采用的是ANSYS有限元分析軟件包。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)為一體的大型通用有限元分析軟件。該軟件擁有豐富和完善的單元枯、材料模型庫(kù)和求解器，保證它能夠高效地求解各類工程問題，如：結(jié)構(gòu)靜力、動(dòng)力、線性和非線性問題、電磁場(chǎng)問題、流體問題和熱傳導(dǎo)問題等。

　　利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析的流程為：建立模型、劃分網(wǎng)格、施加載荷和約束、問題求解、結(jié)果后處理。

　　3結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介容器，具有容納器身，充變壓器油以及散熱的作用，還兼做變壓器附屬裝置的支撐，是復(fù)雜的空間薄板結(jié)構(gòu)。箱體全長(zhǎng)為2 462mm，箱體寬1642mm，箱體高為899mm.其中箱蓋和箱底的厚度均為8mm的16Mn鋼板組成；四周的加強(qiáng)筋板為10X50mm，吊座加強(qiáng)板為10mm，油栗加強(qiáng)板為12mm，吊座為20mm，箱壁為6mm，其材料均為1Cr18Ni9Ti不銹鋼板。箱蓋上加強(qiáng)用的槽鋼為5mm厚，端子法蘭框?yàn)?mm厚，箱壁表1計(jì)算結(jié)果表上所用的油道厚為3mm，材料也均為1Cr18Ni9Ti不銹鋼板。油箱內(nèi)變壓器與電抗器隔板為10mm厚鋁板。因此采用四邊形線性板殼單元進(jìn)行有限元計(jì)算。

　　計(jì)算模型將油箱的箱底、箱壁、箱蓋及各種加強(qiáng)筋板均處理為板單元。

　　4有限元模型的建立因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)及載荷的不對(duì)稱性成分較大，所以采用整體進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)結(jié)構(gòu)及力學(xué)特點(diǎn)，采用了板單元、梁?jiǎn)卧浔诩捌渖纤笜?gòu)件均采用了板殼單元（SHELL63）進(jìn)行計(jì)算，箱蓋與箱體所用拉螺桿定義為梁?jiǎn)卧˙EAM4）。共將結(jié)構(gòu)劃分為12 072個(gè)節(jié)點(diǎn)，12209個(gè)板單元，5個(gè)梁?jiǎn)卧?，共?2214個(gè)單元。

　　5邊界條件由于變壓器油箱是由四組螺栓通過固定板固定到車體上的，以箱底左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，縱向?yàn)閄軸、橫向?yàn)閅軸、鉛垂向下為Z軸正向，因此對(duì)于各種工況，在螺栓固定處施加約束，使其在各個(gè)方向的位移均為0. 6載荷計(jì)算電壓等級(jí)的三相電力變壓器技術(shù)要求參數(shù)規(guī)定了000kVA以上的電力變壓器機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)真空正壓為50kPa，正壓為58. 8kPa.但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，機(jī)車變壓器還承受縱向5g加速度，橫向3g加速度。而且機(jī)車變壓器還要求體積小重量輕。結(jié)合以上情況，我們共選擇了2種載荷工況對(duì)油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，這2種載荷工況為：自重（包括油箱重量、變壓器器身、電抗器、變壓器油及其他附件的重量，以下同）和垂直方向1g的加速度。

　　其中：變壓器自身重4電抗器組及供電電抗器重1變壓器油重2 1g的加速度。

　　計(jì)算過程中選取鋼材的彈性模量為2.泊松比為0.3，材料密度為7.8kg/m3；鋁板的彈性模量為0.695x105MPa，泊松比為0. 3，材料密度為2.65 kg/m3.整體網(wǎng)格剖分采用自由剖分，局部采用手工剖分，網(wǎng)格形式為四邊形板元，以保證計(jì)算的精確性。

　　7計(jì)算結(jié)果分析由于機(jī)車牽引變壓器在普通電力變壓器的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步要求小型化、輕量化，即大容量小體積。同時(shí)還要承受縱向5g，橫向3g的加速度，而油箱的失效主要是在抽真空（或正壓）過程中局部平板翹曲引起的，因而?？梢曰謴?fù)變形并繼續(xù)運(yùn)行。很少發(fā)現(xiàn)由此引起整個(gè)油箱屈曲失穩(wěn)，導(dǎo)致整個(gè)變壓器失效報(bào)廢的。一般結(jié)構(gòu)油箱均可簡(jiǎn)化成板梁組合的結(jié)構(gòu)，即在平面殼體外側(cè)用各種截面的梁縱橫加強(qiáng)。造成油箱局部失穩(wěn)的主要原因是：（1）油箱整體剛度不足；（2）周圍的加強(qiáng)筋剛度不足；（3）鋼板本身的抗彎剛度不足；（4）加強(qiáng)筋與箱體的焊線機(jī)械強(qiáng)度不夠。

　　油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全可靠標(biāo)準(zhǔn)主要是控制變形。

　　變形過大不僅易引起鋼板的局部失穩(wěn)，而且會(huì)導(dǎo)致局部裂紋或箱沿密封泄露。因此，我們?cè)谟?jì)算結(jié)果中主要觀察的是油箱的變形。

　　通過對(duì)計(jì)算結(jié)果中油箱的應(yīng)力變形云圖和位移變形云圖的觀察，在第一種工況中，對(duì)于變壓器整體來(lái)說，變形量比較大的地方發(fā)生在箱底，變形量為1.9mm.應(yīng)力比較大值為204MPa，出現(xiàn)在箱壁與主變安裝座焊接點(diǎn)處，因此屬應(yīng)力集中點(diǎn)。

　　由于第二種工況為極端惡劣工況，應(yīng)力集中點(diǎn)較多，且其值較大，所以只觀察其位移變形云圖，此工況比較大變形量為9.3mm，出現(xiàn)在箱底中心。部分應(yīng)力集中處的應(yīng)力值雖然相對(duì)較大，但由于模型與實(shí)際工況有一定區(qū)別，所以忽略其值。本工況應(yīng)力比較大值發(fā)生在箱底與箱蓋連接的拉螺桿處，比較大值為287MPa.在兩種工況中，第二種工況變壓器整體位移變形量比較大，比較大變形量為9.3mm，箱蓋比較大變形量為6.9mm，從結(jié)果分析，1Cr18Ni9Ti不銹鋼的許用應(yīng)力為220MPa，而比較大應(yīng)力值為287MPa，大于其許用應(yīng)力，但小于其屈服應(yīng)力345MPa，并且由于比較大值發(fā)生在應(yīng)力集中處，其值比實(shí)際值偏大。因此證明結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。由于箱底、箱蓋、箱壁的比較大位移均滿足試驗(yàn)要求，在打壓工況下不至于出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形，所以結(jié)構(gòu)在剛度方面也滿足要求。

　　第二種工況中油箱各壁比較大位移的計(jì)算結(jié)構(gòu)與油箱機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)記錄比較見表1：8結(jié)束語(yǔ)通過比較計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果比打壓試驗(yàn)結(jié)果要大。但總體誤差仍在允許范圍（±101）之內(nèi)。因此證明ANSYS軟件做出的有限元計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)際情況，完全適合于機(jī)車變壓器油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而且在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，有助于新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)，并能夠幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中的缺陷，對(duì)產(chǎn)品做進(jìn)一步的改進(jìn)，提高產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、合理性，從而增強(qiáng)企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的應(yīng)變能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。