基于有限元分析的GIS 铸造壳体设计

张路阳 史春玲 焦瑞浩 宋跃龙

（河南平芝高压开关有限公司，平顶山 467013）

随着国家电网系统的快速发展，气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）因其结构紧凑、可靠性高获得了广泛应用。与此同时，GIS 的市场竞争愈发激烈，各GIS 厂家都在努力开发更加紧凑、性能更优异的GIS 产品。GIS 中焊接铝合金壳体转为铸造铝合金壳体是重点。GIS 运行时，壳体所承受的压力均来自内部充入绝缘介质的压强[1-2]。铸造壳体或焊接壳体只要能够满足GIS 运行时不发生漏气、破裂等事故，在使用上并无区别。与焊接壳体相比，铸造壳体在大批量生产时成本低，更加适合GIS 紧凑的结构。因此，GIS 中批量的焊接铝合金壳体逐渐被铸造铝合金壳体所代替，而铸造壳体的设计也成为GIS 设计的关键。GIS 中的铸造壳体同焊接壳体相比，外形结构更复杂，不是传统的柱形、球形容器。铝合金铸件的性能会受到铸造合金材料成分、铸造工艺方法等多种因素的影响，因此铸造壳体的设计、校核通常较为困难，采用人工计算难以完成。目前，通常使用计算软件模拟铸造壳体的水压试验工况，对其进行有限元分析，通过评定有限元分析的结果来确定铸造壳体的设计是否满足使用需求。

详细阐述某电压等级的GIS 铸造壳体设计，采用ANSYS 软件对铸造壳体进行有限元分析，得到壳体在内压作用下的应力、应变分布情况，同时对应力较高的位置进行线性化分析处理。依据《钢制压力容器分析设计标准》（JB 4732—1995）对壳体各部位的应力进行强度评定[3]，设计满足GIS 设备需要的铸造壳体，并通过水压破坏试验进行验证，从而为GIS 设备的安全可靠运行提供有力保障。

1 铸造壳体的有限元分析

某电压等级的GIS 铸造壳体解析模型，如图1 所示。壳体正常运行时，工作压强为0.80 MPa。考虑温升、日照等因素的影响，设计压强为1.02 MPa。壳体材料为铸铝硅镁合金ZL101A-T6。各盖板、螺栓材料根据水压试验的情况，解析时选定材料为碳钢Q345R。这两种材料通过查询机械设计手册及相关标准，参数如表1 和表2 所示。

表1 铸铝ZL101A-T6 材料参数

表2 碳钢Q345R 材料参数

图1 GIS 铸造壳体解析模型

采用ANSYS 软件对该壳体进行有限元分析。解析时，设置条件如下：

（1）壳体下侧盖板端面设置为固定约束（Fixed Support）；

（2）各盖板与壳体法兰的接触面约束设置为摩擦（Frictional），摩擦系数为0.2，其余的接触面约束设置为绑定（Bonded）；

（3）壳体及盖板的网格单元尺寸设置为5 mm，螺栓的网格单元尺寸设置为3 mm；

（4）设置壳体内壁所受压强为1.02 MPa，各螺栓施加预紧力。

经过ANSYS 的有限元分析，得到壳体在内压（设计压强）作用下的应力分布情况，如图2 所示。

图2 GIS 铸造壳体应力分布

2 应力分析及评定

目前，压力容器设计对应力进行分析时通常采用应力分类准则。按照应力产生的原因、应力分布及对失效的影响，应力分为一次应力、二次应力和峰值应力3 类[4]。一次应力指平衡压力与其他机械载荷的应力，是维持结构各部分平衡直接需要的应力，无自限性。二次应力指为满足相邻元件间的约束或结构自身变形的连续性要求的应力，具有自限性。峰值应力指附加在一次应力和二次应力之上的应力增量，具有局部性和自限性。其中：一次应力包括薄膜应力和弯曲应力，由施加载荷引起；二次应力是由于变形受到限制引起的边缘应力；峰值应力是疲劳裂纹产生的根源或可能断裂的原因，危险程度较低。通常GIS 铸造壳体设计时不必考虑峰值应力的影响，评定壳体的薄膜应力和弯曲应力即可。壳体正常工况下的应力强度的许用极限，如表3 所示[5]，其中Sm为设计应力强度。

表3 正常工况下应力强度的许用极限

根据图2 的GIS 铸造壳体应力分布情况可以看出，应力最大值位于壳体法兰的螺栓孔处。壳体螺栓孔处的最大应力与解析时设置的螺栓预紧力有关。壳体的螺栓孔位置主要受力为螺栓为了抵抗壳体变形而产生的集中应力，壳体在此处受力为一次应力和二次应力。按照表3 的应力评定分类，壳体螺栓孔位置应力强度的许用极限为3Sm（165 MPa），实际应力108 MPa 未超过应力许用值，判定壳体螺栓孔位置应力满足使用要求。

根据图2 的GIS 铸造壳体应力分布情况，除去壳体螺栓孔位置的应力集中外，铸造壳体筒壁部位的应力集中主要位于①和②处。其中，应力集中①处为铸造壳体外壁贴片加厚补强部位，应力集中②处为铸造壳体内壁圆角过渡部位，两处应力集中均为壳体的结构不连续区域。不连续区域是壳体某区域过于复杂导致的几何形状不连续或者在壳体上开孔导致的结构上的不连续，破坏高压容器结构的完整性，减小高压容器承载面积，会引起壳体的应力或应变的变化，影响壳体的安全性能[6]。

对壳体筒壁的应力集中部位①、②进行应力评定，此处的主要应力为一次薄膜应力和弯曲应力。按照表3的应力评定分类，应力集中部位①、②位置应力强度的许用极限为1.5Sm（82.5 MPa）。通过ANSYS 进行结果的后处理分析，对两处位置进行线性化分析处理，建立两处应力集中部位的线性化分析路径。路径起始点为分析部位的应力最大点，路径贯穿壳体壁厚且垂直于壳体截面的中面，得到两处应力集中部位的线性化应力分析结果，如图3 和图4 所示。

图3 应力集中①部位线性化应力分析路径及结果

图4 应力集中②部位线性化应力分析路径及结果

根据图3 和图4 应力集中①、②部位的线性化应力分析路径及结果，可以看出两处位置沿壳体壁厚的应力变化情况。提取两处位置的最大薄膜应力和弯曲应力对其进行强度评定，评定结果如表4 所示。

表4 两处应力集中部位的强度评定

根据表4 的强度评定结果，应力集中部位①、②处应力未超过许用极限，判定壳体筒壁应力集中部位①、②处的应力满足使用要求。综合壳体螺栓孔位置和筒壁部位的应力评定结果，该壳体的应力满足使用要求。

3 试验验证

根据设计分析的结果，对铸造样品进行水压破坏试验。按照相关标准的要求，铸造的铝壳体水压破坏试验压强是设计压强的5 倍。该铸造壳体的设计压强为1.02 MPa，则需保证壳体水压试验达到5.10 MPa时不发生破坏。试验时，壳体水压加压流程按照表5进行，水压上升速度控制在400 kPa·min-1。

表5 水压试验加压流程

试验时，壳体在5.10 MPa 下保压5 min 未发生破裂及泄压现象，并继续升压至5.20 MPa 保压5 min未发生破裂及泄压现象，证明该壳体设计满足要求。

4 结论

根据水压试验验证结果，GIS 铸造壳体的有限元分析设计具有可行性。

（1）对GIS 铸造壳体进行有限元分析得到壳体的应力分布云图，可知壳体的应力集中在结构不连续区域。

（2）GIS 铸造壳体的设计中，对于结构不连续区域需考虑一次应力和二次应力的影响，一般不考虑峰值应力。可建立分析路径进行线性化处理，对应力集中部位进行强度评定。