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　　為了保證機車高速運行的穩(wěn)定性，同時盡量節(jié)省空間，減小重量，機車變壓器大多采用車底吊掛方式安裝，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，這就要求變壓器油箱應(yīng)具有足夠的機械強度。因此我們在設(shè)計過程中采用了ANSYS軟件對變壓器油箱的機械強度進行了有限元計算，以驗證結(jié)構(gòu)的可靠性，并且根據(jù)計算結(jié)果對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而為變壓器油箱的結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)并優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)品的可靠性。保證其在滿足強度的同時達到小型化、輕量化?，F(xiàn)以“中華之星”高速機車變壓器為例，對此計算方法做詳細的介紹。

　　1理論依據(jù)ANSYS軟件主要是采用有限元計算方法，有限元法是適應(yīng)于使用電子計算機而發(fā)展起來的一種新穎和有效的數(shù)值計算方法。這種算法的特點是由整體到分塊，再從分塊組集成整體，采用分塊近似插值函數(shù)去逼近整體連續(xù)函數(shù)，可使連續(xù)體力學(xué)問題得到整體離散逼近、分塊連續(xù)的近似數(shù)值解，得到較的計算結(jié)果。

　　由于牽引變壓器為空間薄壁結(jié)構(gòu)，根據(jù)薄板彎曲理論，薄板的變形和應(yīng)力狀態(tài)，完全由板中面的撓度《（x，y）所決定。所以，撓度計算公式應(yīng)為：w= 5e單元的節(jié)點位移陣列。

　　應(yīng)變計算公式為：單元應(yīng)變矩陣。

　　應(yīng)力計算公式為：單元內(nèi)任點應(yīng)力列陣；一材料的彈性矩陣；單元的初應(yīng)變列陣。

　　2軟件介紹本次計算采用的是ANSYS有限元分析軟件包。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)為一體的大型通用有限元分析軟件。該軟件擁有豐富和完善的單元枯、材料模型庫和求解器，保證它能夠高效地求解各類工程問題，如：結(jié)構(gòu)靜力、動力、線性和非線性問題、電磁場問題、流體問題和熱傳導(dǎo)問題等。

　　利用ANSYS軟件進行有限元分析的流程為：建立模型、劃分網(wǎng)格、施加載荷和約束、問題求解、結(jié)果后處理。

　　3結(jié)構(gòu)簡介容器，具有容納器身，充變壓器油以及散熱的作用，還兼做變壓器附屬裝置的支撐，是復(fù)雜的空間薄板結(jié)構(gòu)。箱體全長為2 462mm，箱體寬1642mm，箱體高為899mm.其中箱蓋和箱底的厚度均為8mm的16Mn鋼板組成；四周的加強筋板為10X50mm，吊座加強板為10mm，油栗加強板為12mm，吊座為20mm，箱壁為6mm，其材料均為1Cr18Ni9Ti不銹鋼板。箱蓋上加強用的槽鋼為5mm厚，端子法蘭框為5mm厚，箱壁表1計算結(jié)果表上所用的油道厚為3mm，材料也均為1Cr18Ni9Ti不銹鋼板。油箱內(nèi)變壓器與電抗器隔板為10mm厚鋁板。因此采用四邊形線性板殼單元進行有限元計算。

　　計算模型將油箱的箱底、箱壁、箱蓋及各種加強筋板均處理為板單元。

　　4有限元模型的建立因為結(jié)構(gòu)及載荷的不對稱性成分較大，所以采用整體進行計算。依據(jù)結(jié)構(gòu)及力學(xué)特點，采用了板單元、梁單元，箱壁及其上所焊構(gòu)件均采用了板殼單元（SHELL63）進行計算，箱蓋與箱體所用拉螺桿定義為梁單元（BEAM4）。共將結(jié)構(gòu)劃分為12 072個節(jié)點，12209個板單元，5個梁單元，共為12214個單元。

　　5邊界條件由于變壓器油箱是由四組螺栓通過固定板固定到車體上的，以箱底左上角為坐標原點，縱向為X軸、橫向為Y軸、鉛垂向下為Z軸正向，因此對于各種工況，在螺栓固定處施加約束，使其在各個方向的位移均為0. 6載荷計算電壓等級的三相電力變壓器技術(shù)要求參數(shù)規(guī)定了000kVA以上的電力變壓器機械強度試驗真空正壓為50kPa，正壓為58. 8kPa.但在實際運行時，機車變壓器還承受縱向5g加速度，橫向3g加速度。而且機車變壓器還要求體積小重量輕。結(jié)合以上情況，我們共選擇了2種載荷工況對油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行了結(jié)構(gòu)強度計算，這2種載荷工況為：自重（包括油箱重量、變壓器器身、電抗器、變壓器油及其他附件的重量，以下同）和垂直方向1g的加速度。

　　其中：變壓器自身重4電抗器組及供電電抗器重1變壓器油重2 1g的加速度。

　　計算過程中選取鋼材的彈性模量為2.泊松比為0.3，材料密度為7.8kg/m3；鋁板的彈性模量為0.695x105MPa，泊松比為0. 3，材料密度為2.65 kg/m3.整體網(wǎng)格剖分采用自由剖分，局部采用手工剖分，網(wǎng)格形式為四邊形板元，以保證計算的性。

　　7計算結(jié)果分析由于機車牽引變壓器在普通電力變壓器的基礎(chǔ)上又進一步要求小型化、輕量化，即大容量小體積。同時還要承受縱向5g，橫向3g的加速度，而油箱的失效主要是在抽真空（或正壓）過程中局部平板翹曲引起的，因而?？梢曰謴?fù)變形并繼續(xù)運行。很少發(fā)現(xiàn)由此引起整個油箱屈曲失穩(wěn)，導(dǎo)致整個變壓器失效報廢的。一般結(jié)構(gòu)油箱均可簡化成板梁組合的結(jié)構(gòu)，即在平面殼體外側(cè)用各種截面的梁縱橫加強。造成油箱局部失穩(wěn)的主要原因是：（1）油箱整體剛度不足；（2）周圍的加強筋剛度不足；（3）鋼板本身的抗彎剛度不足；（4）加強筋與箱體的焊線機械強度不夠。

　　油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全可靠標準主要是控制變形。

　　變形過大不僅易引起鋼板的局部失穩(wěn)，而且會導(dǎo)致局部裂紋或箱沿密封泄露。因此，我們在計算結(jié)果中主要觀察的是油箱的變形。

　　通過對計算結(jié)果中油箱的應(yīng)力變形云圖和位移變形云圖的觀察，在種工況中，對于變壓器整體來說，變形量大的地方發(fā)生在箱底，變形量為1.9mm.應(yīng)力大值為204MPa，出現(xiàn)在箱壁與主變安裝座焊接點處，因此屬應(yīng)力集中點。

　　由于第二種工況為極端惡劣工況，應(yīng)力集中點較多，且其值較大，所以只觀察其位移變形云圖，此工況大變形量為9.3mm，出現(xiàn)在箱底中心。部分應(yīng)力集中處的應(yīng)力值雖然相對較大，但由于模型與實際工況有一定區(qū)別，所以忽略其值。本工況應(yīng)力大值發(fā)生在箱底與箱蓋連接的拉螺桿處，大值為287MPa.在兩種工況中，第二種工況變壓器整體位移變形量大，大變形量為9.3mm，箱蓋大變形量為6.9mm，從結(jié)果分析，1Cr18Ni9Ti不銹鋼的許用應(yīng)力為220MPa，而大應(yīng)力值為287MPa，大于其許用應(yīng)力，但小于其屈服應(yīng)力345MPa，并且由于大值發(fā)生在應(yīng)力集中處，其值比實際值偏大。因此證明結(jié)構(gòu)滿足強度要求。由于箱底、箱蓋、箱壁的大位移均滿足試驗要求，在打壓工況下不至于出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形，所以結(jié)構(gòu)在剛度方面也滿足要求。

　　第二種工況中油箱各壁大位移的計算結(jié)構(gòu)與油箱機械強度試驗記錄比較見表1：8結(jié)束語通過比較計算結(jié)果和試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果比打壓試驗結(jié)果要大。但總體誤差仍在允許范圍（±101）之內(nèi)。因此證明ANSYS軟件做出的有限元計算結(jié)果基本符合實際情況，完全適合于機車變壓器油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計。而且在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程中，有助于新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)的檢驗，并能夠幫助設(shè)計人員及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中的缺陷，對產(chǎn)品做進一步的改進，提高產(chǎn)品的可靠性、經(jīng)濟性、合理性，從而增強企業(yè)對市場的應(yīng)變能力和競爭能力。