变压器建模不同对模态分析的影响

任瑞杰，李　曼，路素银

(保定天威保变电气股份有限公司，河北保定071051)



变压器建模不同对模态分析的影响

任瑞杰，李曼，路素银

(保定天威保变电气股份有限公司，河北保定071051)

抗震性能是变压器设计中的一个关键指标，而模态分析是一切振动分析的基础。本文在实体单元力学理论的基础上，利用建立的简化模型来模拟变压器油箱和内部器身。用有限元软件分别对带器身和用质量点单元模拟器身两种模型进行了模态仿真计算，并提取了前20阶自振频率，并对计算结果进行了总结和对比分析。

变压器有限元模态质量点单元

0　引言

模态分析用于确定结构本身固有的振动特性，主要包括自振频率和振型，是结构动力计算的重要内容。结构的固有模态反映了其刚度指标，是设计承受动载的结构的关键参数，是瞬态分析、谐响应分析、谱分析的基础[1-3]。

变压器的抗震性能是变压器设计中的一个关键指标，其设计可靠性直接影响到变压器的安全运行。根据变压器设计要求，变压器的抗震设计应符合相应地区地震烈度要求，确保其设计的可靠性，因此对其模态进行有效的有限元分析是十分必要的。

但由于变压器油箱器身结构比较复杂，三维建模比较繁琐，如果可以用质量点单元来模拟器身进行建模计算，可以大大减少三维建模的工作量，提高效率。

本文基于有限元分析软件用建立的简化模型来模拟变压器油箱及其内部器身，分别对带器身和用质量点单元模拟器身两种模型的模态进行了仿真计算并提取了前20阶自振频率，并对振动频率进行了总结和对比分析。[4]

1　有限元模型的建立

为了方便分析，建模时用自己建立的简化模型来模拟变压器油箱和其内部器身，这大大减轻了实体建模的工作，并且容易划分网格。

1.1实体模型

图1　简化的变压器油箱模型

利用3D软件建立一个简化模型来模拟变压器油箱和其内部器身。油箱尺寸为长1 000 mm，宽500 mm，高1 000 mm，厚度20 mm；器身尺寸为长500 mm，宽250 mm，高500 mm，器身放置在油箱底部正中位置，与油箱连接。简化的实体模型(压缩了上箱盖)如图1所示。

1.2有限元模型

在此采用有限元软件对简化模型进行网格划分。网格划分过程包括三个步骤：定义单元属性；定义网格生成控制(可选择的)；生成网格。

本简化模型形状比较规则，采用六面体单元和四面体单元划分实体。整理好的变压器油箱有限元简化模型如图2和图3所示。

1.3材料属性

该简化的变压器油箱及其器身模型所用到的材料按照实际的材料属性设置好。

1.4定义边界条件

有限元仿真分析时，施加在模型上的边界条件应该尽量与实际情况相吻合。本文进行的是模态分析对比，无需施加外部载荷，两种模型下仅需对简化的变压器油箱底部进行全自由度约束。

2　求解、提取计算结果

在模态计算中本文设置了20阶，分别对带器身和用质量点单元模拟器身两种简化模型进行了仿真计算，并提取了前20阶频率。

其中用质量点单元模拟器身进行计算时，质量点的施加位置又分为器身的重心位置和器身底面中心位置两种情况。其具体施加位置如图4和图5所示。

带器身情况下提取的前20阶频率如表1所示。

表1　带器身的前20阶频率/Hz

用质量点单元模拟器身时，其质量点位置分别施加在器身重心和底面中心时提取的前20阶频率分别如表2和表3所示。

表2质量点施加在重心位置的前20阶频率/Hz

阶次12345频率144.89152.64271.14278.2298.92阶次678910频率311.65365.53372.81390.78409.21阶次1112131415频率451.62483499.83537.97539.99阶次1617181920频率562.26606.37616.45626.93628.78

表3　质量点施加在底面中心位置的前20阶频率/Hz

3　总结分析

对比上表1，2，3前20阶的频率可以看出对简化模型带器身和用质量点单元模拟器身两种情况下分别进行模态计算，其计算的结果完全相同，因此我们可以大致认为在变压器的模态计算中可以用质量点单元来模拟油箱内部器身，这样可以减少器身建模的工作量，大大提高工作效率。

由于变压器油箱和器身的实际结构比较复杂，重量比较大，在用有限元进行模态计算时，用质量点单元模拟器身的计算结果和带实际器身时的计算结果可能有所差别，本文得出的对比结果仅供参考。

[1]杨康,韩涛. ANSYS在模态分析中的应用[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2005,23(1):81-84.

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[3]王建江,胡仁喜,刘英林,等.ANSYS11.0结构与热力学有限元分析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2008:173-175.

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[6]陈斗.线路电抗器静结构强度及振动模态有限元分析[J].变压器，2011，48(4)：22-25.

[7]赵文祥，齐桂芬，宋秀生.PrO/MECHANICA在变压器结构设计中的应用[J].变压器，2010，47(11)：19-20.

[8]边炳传，隋允康，韩玉梅.两种小型变压器油箱的有限元分析及优化设计[J].变压器，2006，43(11)：10-15.

[9]王超，许平，黄明高.基于ANSYS的电气柜体强度与模态分析[J].机电工程，2007，24(7)：26-28

[10]何岳平，席军德，向宏伟，吴亮，彭高清.基于ANSYS的辅助变压器柜结构模态分析及稳态响应研究[J].机械工程师，2013(10)：113-115.

The influence of different modeling on the modal analysis of the transformer

REN Ruijie, LI Man, LU Suyin

Seismic performance is a key parameter in the design of the transformer. The modal analysis is the basic of all vibration analysis. In this study, based on the mechanics of solid elements, we establish a simplified model of the transformer tank and the core-winding assembly. With the finite element software, we carried out modal simulation calculation of the core-winding assembly and the mass point element simulated model respectively, extracted the frequencies of the first 20 orders, and carried out contrast analysis of the results.

transformer，finite element，modal，mass point element

TM411+.2

A

1002-6886(2016)04-0053-03

任瑞杰(1983-)，男，河北邢台人，工学学士，从事大型变压器结构设计。

2016-01-18