四通母线筒有限元分析

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摘 要：采用电测法对GIS外壳进行应力应变测试，并对四通母线筒建立简化模型，在ANSYS 10.0环境下进行有限元分析计算。研究壳体在0.5Mpa设计压力及2倍设计压力下相贯部位（肩部、腹部）在0°、90°截面的应力分布情况，并与实验结果进行比较。同时，选取关键部位路径进行应力线性化，对应力分类讨论设备的安全性能结果表明，ANSYS 10.0分析壳体的应力分布实际可行，最大应力出现在肩部内壁转角处，并讨论设计的优化措施。

关键词：GIS外壳；电测法；有限元分析；应力分布

GIS全封闭组合电器体积小、技术性能优良，是一种先进的高压电气配电装置，它是由断路器、母线、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器和套管七种电器元件组合而成。母线筒作为GIS设备的主要组成部分，通常用铝合金、不锈钢、无磁铸钢的材料做成，内部充有一定压力的SF6气体，起到绝缘和灭弧的作用[1]。母线筒壳体上开孔直径较大，几何结构不连续，支管局部存在应力集中现象。为了使设备安全作用于电力系统中，必须对壳体结构合理设计，对应力集中严重的区域进行优化。本文采用应力应变电测技术以及有限元方法分别对母线筒（四通）进行分析，确定其应力分布状况，验证利用有限元ANSYS分析应力的可行性，以期为母线筒的设计制造提供技术支持和参考。

一、电测法测应变求应力

电测法的基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变―应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法[2]。实验采用半桥连接，应变仪为YJ-35型静态电阻应变仪，单台可以同时测10个点。

本实验对四通壳体结构，贴应变片位置如图一所示。壳体尺寸Φ810×15mm，开孔支管Φ750×15mm。由于结构的轴对称性，根据压力容器常规设计可知，在壳体上远离支管部位的主应力方向已知，用2个单向应变片在0°，90°来测量其主应力及主应变，电阻片的轴线应与主应力方向一致。对相贯线腹部A1，A2，A3和支管肩部B1，B2，B3，由于主应力方向未知，采用0°，45°，90°应变花。温度补偿片贴在与壳体材料相同的试块上，接在与工作片相邻的桥臂上。壳体的实际压力为0.5Mpa。实验记录从压力0.5Mpa到1.0Mpa，各测点的应变值，再利用相应的公式进行应力计算。

由计算结果可知，筒体在试验压力下无破坏现象，应力值基本符合线性关系。在1.0Mpa水压下各测点的等效应力都在应力应变关系曲线的范围内，不同点出现初始屈服值相差较大。并取在设计压力0.5Mpa下的应力分布情况与有限元模型进行比较。

二、壳体的有限元分析

利用有限元方法，对母线筒外壳进行应力分析，是在ANSYS 10.0的环境下进行的。

（一）设计参数

母线筒壳体设计压力0.5Mpa，筒体与接管材料均为铝合金管。设计温度下材料特性：E=1.95E11pa；μ≈0.33；[σ]s=140Mpa；[σ]t=48Mpa。

（二）建立有限元模型并划分网格

母线筒由主筒以及两个分支筒体组成，根据内径及壁厚，可以建立有限元模型。考虑到壳体和载荷的对称性，本文为简化模型，过分支筒的轴线取两个相互垂直的截面剖分，得到模型图如图二所示，主筒体内径790mm，取1/2截面，距一端1320mm处为中心开孔（内径750mm），取1/4，与主筒体相贯，对称于主筒体轴线，伸出端部距中心线距离600mm，具有肩部和腹部，模型共12个面。采用有限元分析软件ANSYS 10.0进行建模，计算Von Mises应力[3]，并与实验结果相比进行验证。单元类型采用三维8节点SOLID45，生成自由网格，精度为1（fine），并在主筒和分支筒体相贯线和肩部等高应力部位细化网格，保证在这些应力值较高的区域的计算精度。壳体共划分61069个单元。

（三）施加载荷

A截面X方向位移约束为零；约束B、D截面Z方向位移为零；C截面施加对称约束，E、F截面施加对称约束。在壳体的内表面分别施加压力0.5Mpa、1.0Mpa，用上述模型进行分析计算。壳体内表面受内压0.5Mpa时的Von Mises云图如图三所示。

三、有限元模型的验证

将0.5Mpa内压下选取截面A1-A2-A3和B1-B2-B3的实验值与有限元计算结果比较列于图四，图五。由图可见，有限元计算值与实验值基本吻合，应力分布趋势相同。四通筒体的内壁肩部转角处应力最大，对于外表面腹部的应力最大，符合实际情况。这说明用有限元软件进行的计算模型是正确的，可以根据模型进行相应的应力分析。

四、有限元模型计算结果分析

主筒与分支筒的肩部，应力集中程度较高，在受到内压时，肩部由内壁向外应力分布如图四所示。从图六图示颜色上的不同可以看出ANSYS计算后节点应力值明显的不同，采用应力值曲线表示如图七，内壁应力值最大为59.2Mpa，然后向外壁逐渐减小，到外壁接管出由于结构的不连续，应力集中在这个部位有所体现，值达到45.9Mpa。

支筒的开孔处以及在离孔边较远处的一定范围内，不是单纯的薄膜应力状态[4]，如图八，九分别给出了从肩部分别向主筒和分支筒的端部截面的应力分布以及支筒沿轴表面，垂直于相贯线腹部的应力分布。

五、结束语

该四通筒体结构强度符合要求，两侧肩部的内壁转角处是峰值应力区，设计中应取合适的圆角r，减小应力集中。

参考文献：

[1]罗学琛．SF6气体绝缘全封闭开关组合电器（GIS）[M]．北京：中国电力出版社，1999．

[2]郑秀媛，谢大吉．应力应变电测技术[M]．北京：国防工业出版社，1985．

[3]侯月玲，田德宇，李育文．高压断路器壳体应力分析[J]．郑州轻工业学院学报（自然科学版），2008，（4）．

[4]蔺建文，伍天明，刘仁生．126kV的GIS母线筒外壳应力分析[J]．高压电器，1991，（01）.