大型真空罐总体弹性稳定性分析及其改进设计方案

谭鑫

（广东省中山市南方空气分离设备有限公司 528441）

大型真空罐总体弹性稳定性分析及其改进设计方案

谭鑫

（广东省中山市南方空气分离设备有限公司 528441）

本文通过对大型真空罐结构的分析，对实际变压器厂内应用的大型真空罐总体弹性的临界压力进行了计算，在此基础上，对稳定性进行了分析，并提出改进方法。

大型真空罐；干燥设备；改进方法

变压器内部结构中包含较多的固体绝缘材料，在生产过程中需要及时关注含材料的含水量，避免含水量影响变压器绝缘材料的性能。变压器设备生产过程中，等级越高，内部材料对应的含水量必须越低，为了尽可能降低内部水分，必须应用真空干燥设备，在生产过程中及时除去水分[1]。实际生产过程中发现，变压器的电压等级要求越高，容量越大，内部应用的绝缘材料就会越厚，对干燥环境提出的要求就就会越高，进行干燥处理的真空罐尺寸就会越大。因此真空罐设计过程中必须要重点考虑总体弹性稳定性，对已有设计方案进行反复试算和完善，保证稳定性和刚度满足结构要求。

1 真空罐概述

某变压器厂对一个大型真空罐的几何外形进行简化后如图1所示。

图1 真空罐外形

该真空罐外形为一个立方体，其中有5个侧面采用加强筋钢板，剩下的一面为两篇援助壳构成，将这一面作为真空罐的罐门。真空罐罐门为一长方形截面钢条和两个槽型钢，将工字型钢安装与平板加强筋上。

工作过程中保证真空罐受压均匀，将工作温度控制在120℃左右，该真空罐整体有低碳钢制成，弹性模量为E=2.1×105MPa，泊松比为0.3。

真空罐简化后的图形如图2所示。

图2 真空罐简化图

从图2可以看出，真空罐简化后基本可以看成是由梁、板和壳体构成的空间结构，应用传统计算方法对其作出力学稳定性分析将会十分困难。随着有限元分析技术和计算机技术的发展，力学分析问题得到了解决。

真空罐在应用过程中，必须在正确分析静力强度的同时，还必须对总体平衡稳定性的屈曲进行分析[2]。本研究借助有限元分析技术对真空罐的静力进行初步分析，之后对整体弹性屈曲进行分析，为了及时校核真空罐结构抗破坏能力，需要求出弹性屈曲的临界压力。研究过程中发现，虽然原有的设计方案存在一定的缺陷，但是从总体上看，该结构仍然具有较大的稳定性潜力，本文提出了这一种改进设计方法，减轻了结构的自重，可以相关工作提供参考。

2 模型分析

结合图2可以看出，真空罐结构包含两个对称的平面，即平面ogy和平面oyz。真空罐在应用过程中，会受到均匀对称的外压力，在结构加强筋的作用下，弹性总体失稳波形也会将这两个平面作为对称面，因此在进行弹性屈曲分析和总体弹性静力分析过程中一般选用该模型的1/4作为分析对象。

在常见的几何形体中，圆柱壳体的莫内力状态较为均匀，外压力也比较平衡，一般可以承受较大的均匀外力。原有设计方案正是借助这一优势，应用两片圆柱壳体对接作为真空罐门，但是应用长方形板条对不同圆柱壳体进行加强，在结合位置并不能获得良好的加强效果。

针对两块不同的圆柱壳块而言，在均匀外力的影响下会在壳块结合位置产生向下的线载荷，该线载荷可以完全有一根梁进行承载，应用梁承载的方法可以提供与线载荷相等、方向相反的力，保证与外压力平衡。原有的设计方案中应用长方形板条，在就结合位置形成封闭的三角区域与向下的线载荷平衡，与梁支撑相比，效果较差。另外，将板条装置焊接在圆柱壳体上，一定程度上会对圆柱壳的模内力状态造成影响[3]。

结合以上分析，本研究中对原有设计方案进行了改进，设计出一种新的支撑方案，即在圆柱壳块的结合位置放上尺寸适宜的工字钢。经过上述分析，对1/4原结构进行有限元分析，及时绘制相应的有限元网格剖分图。应用空间梁单元将加强筋分散开，应用三角形平面壳体单元将平板和圆柱壳分散开。

3 优化后的设计方案

原设计方案中应用I30a号型钢，将此型钢作为加强筋会具有过大的强度，在两片圆柱光壳块构成的真空罐门位置强度不足，在门位置形成屈曲波形，实际计算也证明了这一问题。

本研究提出改进方法，缩小四周壁板上的加强筋尺寸，同时增大加强筋的密度，保证整体结构的刚度均匀分布，更加合理。设计过程中充分考虑到工艺条件的限制，将实际加强筋的间距控制在500mm左右，所用工字型钢的型号较小，改进过程中也可以对圆柱壳块应用三根环向加强筋，应用I14型工字钢，改进后方案的有限元分析展开图如图3所示。

图3 改进后方案的有限元展开

图3中右侧为改进方案圆柱壳块的网格剖分，与原有的有限元网格相比，改进方案的有限元网格更加密集，应用长方形平面壳单元取代原有的三角形平面壳单元，之后列出有限网格数据[4]。

通过对改进后方案的分析，发现应用两片圆柱壳块的方法在工艺实施和受力形态上都会表现出一定的缺陷，比较合理的方法是应用环向加强筋的结构形式，在一个侧面上应用三根环向加强筋，其它五个侧面应用长方形加强筋。

4 总体弹性屈曲计算

方案改进过程中，将原始方案和改进后的方案进行对比，对总体弹性屈曲的临界压力值进行计算。结果发现，应用改进后的方案，圆柱壳块结合位置的临界压力从原来的38.056kPa上升到52.799kPa，改进效果十分明显。

本研究中对改进方法选用了不同型号的加强筋，之后通过正确的计算，结果发现在侧板上工字钢型号不断减小的同时，真空罐的总体屈曲临界压力值就会逐渐降低，主要原因是圆柱壳块区域内形成屈曲波形。之后在圆柱壳体上加装了三根环向加强筋，真空罐抵抗总体屈曲的能力得到提高，临界压力值也有所提高。

5 结束语

从结构上看，原有真空罐设计方案安全，但是设计方法不合理，必须在原有基础上进行改进。改进后的方案可以保证稳定性，改进过程中应用了三种不同型号的工字钢作为侧面板的加强筋，可以为相关设计工作提供参考。另外，在圆柱壳块拱高不断增大的同时，临界压力值就会增大，如果将圆柱壳块上的三根环向加强筋去掉，临界压力值下降。改进方案降低了真空罐的自重，主要对原有设计方案的加强筋大小和间距进行重新设置。总之，本研究中探讨的真空罐结构较为复杂，稳定性分析过程中必须充分考虑不同构件中存在的平面变形问题和弯曲变形问题，对真空罐的静力进行分析可以为屈曲理论提供参考，有限元分析过程中需要借助较细的网格进行应力分析，明确应力较大的区域，增加网格的密度。

[1]陈志江，杨永军.真空罐应用原理[D].四川工业大学，2011，15（2）：146～ 148.

[2]陈晓东，孙永平，郭志平，等.有限元分析和工业应力探究领域的应用[J].计算机技术，2015，25（4）：47.

[3]王元荪.变压器设备生产过程控制[D].华中科技大学，2014（2）：61.

[4]安晓燕.大型真空罐应用技术研究[D].燕山大学，2011，15（1）：140.

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1004-7344（2016）15-0256-02

2016-5-10