双层预制舱风载工况结构强度分析

2020-09-24方春阳谢春洋殷帅兵

科技视界 2020年26期

方春阳谢春洋* 殷帅兵

0 引言

随着城市用电负荷快速增长，根据经济和系统安全的考虑，需要在城市中心区域大量新建变电站，预制式二次设备舱是实现智能变电站标准化设计、工厂化加工、装配式建设的重要保证，对智能变电站的安全、稳定运行起着至关重要的作用[1-2]。城市中心区域寸土寸金，加剧了变电站建设一直存在的征地难、建设难、落地难等一系列难题。预装式多层设备集成舱（以下简称多层预制舱）结构研制是进一步实现标准配送式智能变电站集成度高、占地面积小、建站周期短、工厂预制化程度高的重要保证，因此大力研究预装式多层设备集成舱具有十分重要的意义。

双层预制舱的简化模型如图1 所示。不同于钢筋水泥类建筑采用一体式混凝土结构，双层舱舱体骨架分上下两层，每层骨架整体焊接，上下层骨架堆积需要保证足够的强度和刚度，箱体在起吊、运输和安装时不应变形或损坏。由于受到运输高度、宽度影响，箱体在起吊、运输时均按照单舱处理，根据前期工作积累，这部分的舱体安全较为可靠[3]。通过仿真分析，对舱体风载进行方案可靠性验证是十分有效的手段[4]。本次预制舱结构强度力学仿真分析主要从正面受12 级风工况进行有限元分析，计算出零部件应力、位移的分布图，验证结构的强度和设计方案的合理性。

图1 多层舱舱体模型

1 仿真条件

1.1 风压力计算

根据相关国标要求，预制舱在工作环境中最大受风风力为12 级，即风速不超过34 m/s。将12 级风等效风压作用在预制舱正面的侧面竖立柱上，相当于在正压区施加12级风所产生的风压力。风压力计算公式采用GB/T 4797.5-2008 第5.7 节的公式[5]。

F=0.65v2A

式中，F-风力，牛顿（N）；v-平均风速，米每秒（m/s）；A-平板面积（m2）。

预制舱侧封板面积A下层舱=17 200 mm*3400 mm=58.48 m2；A 上层舱=14 200 mm *2 800 mm = 39.76 m2。

12 级风产生的风压力为：

F下层舱=0.65v2A=0.65×342×58.48≈43 941.87 N

F上层舱=0.65v2A=0.65×342×39.76≈29 875.66 N

在仿真时舱体围框，包括钣金板、保温板以及其他附件会影响仿真速度和精度，经过计算风载后，将围框部分删除，将风载施加在立柱上。舱体的重力方面，软件自动计算舱体框架重量，重力加速度为9.8 m/s2，钢材密度为7 890 kg/m3，围框重量经计算后通过载荷的形式加载在四周槽钢中。仿真受力信息详见下表。

表1 受力分析

1.2 网格划分

网格质量直接影响到求解精度、求解收敛性和求解速度。细化网格可以使计算结果更精确，但是会增加CPU 计算时间、需要更大的存储空间。因此，网格划分时需要权衡计算成本和细化网格之间的矛盾。本文网格划分最小缝隙等级0.47 mm，共有422 280 个有限元网格单元，有1 145 099 个有限元节点，网格划分结果如图2 所示。

图2 网格划分示意图

下图为仿真中受力情况示意图，其中A 表示重力，B 显示为固定约束，表示舱体是在地面进行固定的。C 表示为上层舱体所承受的风载，D、E 表示为下层舱体受到的风载，F/G 分别是上下层围框所受到的载荷。受力详细参数按照表1 设置。

图3 受力示意图

2 仿真分析

图4 为舱体应力示意图。从上图可以看到最大应力约为53MPa，远小于钢材235MPa 屈服强度，因此舱体结构安全是足够保证的，说明此种结构安全可靠。最大应力发生在上层舱体的底部和下层舱体的底部，原因在于下层舱通过焊接方式与现场基础相连接，上层舱底座通过多点螺栓和焊接方式与下层舱顶部框架连接，在受到正向风力作用时，立柱与上下围框的接触长度最短，应力最大。