模块化预制舱设计与研究

窦辉　殷帅兵　王哲　李承光

【摘 要】本文提出了模块化预制舱的概念，对其结构进行了介绍。提出了模块化预制舱的设计方法，并按照设计方法对模块化预制舱进行了设计。对模块化预制舱模型进行了简化，基于ANSYS Workbench仿真分析软件对简化模型进行了吊装工况和12级风工况下的仿真分析。分析结果表明，模块化预制舱在吊装工况和抗击12级风工况下的应力在允许范围内，并且整体变形较小，不会发生屈服破坏。最后对模块化预制舱实物进行吊装、侧倾和公路运输工况的试验。试验结果表明，按照上述设计方法得到的模块化预制舱整体强度和刚度较好、性能可靠，可以满足使用要求，从而验证了本文中设计方法的科学性和有效性。

【关键词】模块化预制舱;设计方法;ANSYS Workbench;仿真分析

中图分类号： TM63 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）22-0001-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.001

0 前言

随着国家经济水平的不断发展，基础设施建设也在加快进行。作为基础建设中不可或缺的一项配套设施，变电站的建设需求量也在逐步加大[1-2]。新一代预装式二次设备集成舱体（预制舱）逐步、稳固的在智能变电站中推进，使智能变电站的集成化程度高、占地面积小、工厂预制化程度高等优点已经凸显。不论是高压输电项目、高铁城轨建设项目、城市配套大型污水处理项目，还是大型清洁能源储能项目等都要建设变电站或者储能站，预制舱的需求量更是日渐增多。传统的预制舱结构形式主要是主框架焊接结构，只能在主框架全部焊接完成之后进行喷涂或喷漆，再逐步进行其他非承重部分的安装，这样预制舱加工周期较长，不利于进行大批量快速生产。预制舱作为新一代智能变电站的重要设备之一，其生产过程仍未能实现模块化设计与制造，不能实现工厂标准化预制和变电站现场施工模块化装配，导致二次预制舱舱体设计的通用化程度较低。因此，研究户外设备的功能和性能需求，结合新一代预制舱的优点，研制新型标准模块化快速装配式预制舱，使其具有更加安全、高效、方便、可靠的标准化快速装配性能，从而使预制舱适应新一代变电站的智能化、标准化建设的需求迫在眉睫。

王勇奎等对预制舱的最优起吊位置进行了研究，得到了一般情况下预制舱最优起吊位置的计算方法，使得底座弯曲刚度最大，并通过仿真分析进行了验证[3]。王大庆对110kv预制舱式变电站进行设计，并对预制舱与一次部分的土建设计进行阐述[4]。郭胜军等针对智能变电站二次设备预制舱底座高度小于300mm的要求，设计了H型钢与槽钢焊接组合的新型底座结构方案，并验证了新型底座方案的安全性与可靠性，降低了底座重量和加工成本，提高了底座的整体刚度[5]。刘志伟等介绍了预制舱面临的环境因素，及其设计中应注意的问题[6]。但以上这些研究都没有对传统预制舱的结构进行改进，也就没有解决缩短预制舱加工周期的作用。本文所介绍的模块化预制舱将整个预制舱分成若干个模块，实现了各个模块的标准化，整舱加工只需要将各个预生产出来的模块按照一定的工艺流程组装起来即可，有利于流水线生产，分模块作业，能够有效缩短预制舱生产周期，实现多种零部件的标准化从而降低成本。

1 模块化预制舱设计

1.1 模块化预制舱介绍

模块化预制舱长12.2m、宽2.8m、高3.2m，主要分为底座模块、围框模块、顶盖模块以及安装附件，其模型示意图如图1所示。为了保证吊装、承重等工况下舱体有足够的机械强度，底座采用整体焊接的形式整体作为一个模块，如图2所示。围框模块和顶盖模块为金属焊接框架填充聚氨酯复合板的形式，共有十个围框模块和四个顶盖模块，如图3和图4所示。各个相邻的模块之间通过紧固件进行组装连接，这样有利于实现流水线生产，缩短加工周期、提高产量。

经过计算，围框总重量为3604Kg，其中两侧围框的总重量共为2722Kg;两个端部围框的重量共为882Kg;顶盖每个模块的重量为452Kg，顶盖的总重量为452*4=1808Kg。

1.2 设计计算

模块化预制舱的特殊性设计主要体现在各个模块的连接点设计以及螺栓数量的计算上。对于预制舱的各种工况来说，运输转弯工况和受到12级风力作用的情况下螺栓受力最大，并且围框和底座之间连接的螺栓的受力情况相对来说最为严重，因此选择这两种极端情况对围框和底座之间所需要的螺栓个数进行计算。预制舱围框与底座之间的连接方式如图5所示，图中A点和B点为螺栓连接点，通过若干个连接点的螺栓连接，实现底座与围框之间的固定。

1.2.3 螺栓个数总结

根据1.2.1和1.2.2节的计算结果，围框和底座之间最少需要螺栓数量最多为120个。实际情况由于有端部围框的支撑作用，以及顶盖安装之后所起到的连接作用，舱体整体的强度很好，因此这个数量的螺栓能满足需求。

本设计中，围框和底座之间最终共采用了130个螺栓，大于理论计算的120个螺栓的数量，使整舱的抵抗变形和破坏的能力更强。

2 仿真分析

对模块化预制舱模型进行简化处理，运用有限元分析软件ANSYS Workbench 对简化的模块化预制舱模型在吊装和12级风载两种工况下进行仿真分析[7-8]，分析结果如下。

2.1 吊装工况

预制舱采用四点吊装的吊装形式，吊装示意图如图9所示。

通过对简化模型施加预制舱各部分等效的重量，并对四个吊点施加固定约束，进行仿真计算得到模型的应力云图和变形云图分別如图10和图11所示。

舱体骨架材料为Q235，其屈服强度为235MPa，这里取安全系数为ns=1.8，得到许用应力σ=σs/ns=235/1.8=130.6Mpa。从图10可以看出，舱体的最大应力为213.32MPa，当把图中红色区域的最小值调整到80MPa时，应力云图中仍是大片的蓝色，没用明显的红色区域出现，说明213.32MPa的最大应力是由于应力集中造成的，舱体整体的应力在80MPa以下，小于许用应力130.6MPa，满足要求。从图11可以看出，舱体的最大变形量1.2279mm，最大变形位置发生在顶盖中间段，变形较小。

2.2 抗风工况

以12级风为抗风标准，根据2.2节中的风力计算得到预制舱受到的风力大小为29335N。对预制舱简化模型进行12级风下的仿真分析计算，得到抗风工况下的变形云图和应力云图如图10和图11所示。

从图12可以看出，舱体的最大变形量1.4219mm，由于1.4219mm远小于30mm，说明舱体变形量很小，满足使用要求。从图13可以看出，舱体的最大应力为198.87MPa，当把图中红色区域的最小值调整到80MPa时，应力云图中仍是出现大片的蓝色，没用明显的红色区域出现，说明198.87MPa的最大应力是由于应力集中造成的，舱体整体的应力小于80MPa，小于结构钢的屈服极限235MPa，满足要求。

从图12可以看出，舱体的最大应力为198.87MPa，当把图中红色区域的最小值调整到80MPa时，应力云图中仍是大片的蓝色，没用明显的红色区域出现，说明198.87MPa的最大应力是由于应力集中造成的，舱体整体的应力在80MPa以下，小于许用应力130.6MPa，满足要求。从图13可以看出，舱体的最大变形量1.4219mm，变形较小。

3 实验验证

通过对各个模块进行连接安装，并对整舱进行装修布置得到了模块化预制舱的样机如图12所示。目前已经对样机进行了吊装、侧倾和汽车运输工况的试验，试验过程中舱体并没有出现明显的变形和扭曲现象。试验结果表明，按照上述设计方法得到的模块化预制舱整体强度和刚度较好、性能可靠，可以满足使用要求。从而验证了本文中设计方法的科学性和有效性。

4 结论

（1）在原有整体焊接框架预制舱的基础上，提出了模块化预制舱的全新概念;针对一款模塊化预制舱进行了围框与底座间所需螺栓数量的计算，保证其强度和刚度的可靠性，从而对模块化预制舱进行了设计。

（2）基于ANSYS Workbench仿真分析软件对模块化预制舱简化模型在吊装工况和12级风工况下进行分析计算。得到结论：根据本文中的方法设计出的模块化预制舱在吊装工况和抗击12级风工况下整体变形和应力较小，没有明显的应力过大区域出现，不会发生屈服破坏，预制舱满足要求。

【参考文献】

[1]朱万龙，张耀龙，刘超.浅谈变电站建设中电气设备预制舱的应用.四川水利， 208，39（01）：51-52.

[2]汪洋.预制舱技术在智能化变电站的应用.中国电力企业管理，2017（24）：80-81.

[3]王勇奎，殷帅兵，王哲，等.基于ANSYS Workbench的预制舱最优起吊位置研究.科技视界，2018（19）：32-34.

[4]王大庆.预制舱式变电站模块化设计方法.电子测试，2018（14）：5-8.

[5]郭胜军，王伟.预制舱底座结构分析与优化设计.煤矿机械，2017，38（08）：87-89.

[6]刘志伟，张敏，黄荣辉，等.预制舱结构设计中应注意的问题.自动化应用，2015（01）：31-32+43.

[7]李添翼.基于Workbench的齿轮啮合振动分析.科学技术与工程，2017，17（24）：49-54.

[8]强宝民，吴侠，王江波，王浩，等.基于ANSYS的桥式起重机桥架结构瞬态动力学分析与实验.科学技术与工程， 2017，17（7）：157-162.