电容器装置钢板折弯框架结构分析

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摘要 ：本文结合电容器装置运行的环境条件，利用ansys软件对电容器组装置钢板折弯框架进行有限元分析，通过分析计算其机械强度评估结构可行性。

关键词 ：电容器框架 有限元分析 机械强度

0、前言

随着现代社会政治、经济和文化生活的发展，人们对于电力的依赖越来越重，电力系统的安全性关系到社会和经济的各个方面，成为现代文明的重要支柱。电力系统在地震中一旦遭到破坏，不仅会造成巨额的直接或间接地经济损失，还会引发火灾等次生灾害，给人们的正常生活造成很大影响。

电容器装置结构具有质量大、重心高等特点，不利于结构抗震。《电力设施抗震设计规范》规定：对高压电器、高压电瓷、管型母线、封闭母线及串联补偿装置等构成的电气设施应采用动力设计法，对其机械强度、抗震性能进行分析，因而电容器框架的机械强度计算也至关重要。

有限元方法，就是将被分析结构离散为一定数量的小单元等价系统，这些小单元的集合体就代表原来的结构。建立每个组成单元的平衡公式，然后集成起来，再引入边界条件，求解这种整体的平衡方程组，就可以求到原来结构的离散点处的未知量（位移或应力）。

本次计算利用有限元方法来计算钢板折弯焊接式框架的机械强度。

1、框架相关参数以及环境条件

钢板折弯焊接式框架是由电容器、框架结构、底座、放电线圈以及瓷瓶等组成。其中电容器分为3层，每层放置4个电容器单元;框架结构、底座均是由钢板折弯件组成，为全焊结构。

本次计算主要是校核钢板折弯焊接式框架的机械强度。

电容器单元及相关组件基本参数、框架使用材料的相关参数如下表1、表2所示。下表数据均为查机械设计手册以及相关手册或资料获得。电容器框架所使用的环境条件为用户提供，如下表3所示。

2、钢板折弯焊接式框架有限元模型建立

根据电容器结构设计图纸及相关参数，采用一定的简化处理方法，利用Ansys建立钢板折弯焊接式框架的有限元模型如下图所示。

该有限元模型的框架结构、瓷瓶、放电线圈以及电容器结构分别采用beam188单元表示，总共单元1360个。

3、钢板折弯焊接式框架计算与分析

静力计算主要是考察电容器结构在重力、覆冰、活载荷以及风载的作用下，钢板折弯焊接式框架的变形大小与强度极限，以验证结构在上述载荷条件下是否满足安全性能要求。

对模型进行风载荷、覆冰载荷以及活载荷的加载，并对支柱底部采取全约束，通过Ansys求解计算以及后处理，得到钢板折弯焊接式框架在重力、覆冰、活载荷和风载荷作用下结构的应力位移变形。

从图1以及图2可以清楚的看到，钢板折弯焊接式框架的最大应力为47.0Mpa，出现在第一层钢板折弯件处。

4 、强度验算

根据《材料力学》，一般静载荷下，对塑性材料的安全系数可以选取安全系数n=1.2～2.5;对脆性材料科选取安全系数n=2～5。安全系数定义按下述公式计算。

n=σs/σmax

根据1.2表1、表2以及计算结果，钢最大应力为35.6Mpa，则其安全系数为6.60，满足强度要求。并且存在很大余度，材料利用率很低。

5、框架最大承重分析

根据2.3强度验算结果体现，钢板折弯框架安全系数很高，材料利用率还可以进一步提高。因而现分析此钢板折弯框架的最大承重。分析方法是增大电容器质量，其余重量布置以及加载方式均不变。根据安全系数的选取原则以及考虑到结构抗震分析计算，在估算框架最大承重时，安全系数最小可选取1.6。计算结果如下表所示。

根据表4，可知钢板折弯框架最大承重约7888kg，此时安全系数为1.62。

6、结论

本文利用ansys软件对电容器装置钢板折弯框架进行有限元分析，表明此装置机械强度设计裕度很大，材料利用率很低，可以在设计方面进行优化改进，减少成本。

参考文献：

[1]GB 50260-2013，电力设施抗震设计规范. 北京：中国计划出版社.

[2] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范. 北京：中国计划出版社.

[3] ANSYS工程结构数值分析. 北京：人民交通出版社.

作者简介

李伦（1987 -），女，湖北天门人，西安交通大学硕士研究生，主要从事机械结构方面分析。

孙晓凤（1984 -），女，陕西合阳人，助理工程师，从事电力电容器及无功补偿的技术研究工作。

解冲（1991 -），男，助理工程师，从事电力电容器及无功补偿的技术研究工作。

郭艳利（1987 -），女，助理工程师，从事电力电容器及无功补偿的技术研究工作。

肖 果（1986 -），女，，助理工程师，从事电力电容器及无功补偿的技术研究工作。