ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用胥建文山東電工電氣集團有限公司?2025ANSYS,Inc.一、山東電工電氣集團簡介二、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用三、討論山東電工電氣集團有限公司（以下簡稱“集團”）隸屬中國電氣裝備集團有限公司，是中國特大型輸變電產(chǎn)業(yè)集團，所屬企業(yè)40余家，分布在山東、北京、重慶、江蘇、浙江、安徽、陜西等省市，是國內(nèi)最大的電力裝備及整體解決方案供應(yīng)商之一，致力于建設(shè)國際一流的電力裝備制造商和系統(tǒng)服務(wù)商。1、山東電工電氣集團簡介

基本情況1、山東電工電氣集團簡介主營業(yè)務(wù)1、山東電工電氣集團簡介研發(fā)平臺1、山東電工電氣集團簡介科技成果山東電工電氣集團圍繞“雙碳

”和“新型電力系統(tǒng)

”建設(shè)需求，開展輸變電、配用電、新能源及綜合能源等領(lǐng)域前沿技術(shù)研究、核心技術(shù)攻關(guān)及新產(chǎn)品研發(fā)等。面向一次設(shè)備、微電網(wǎng)、新能源系統(tǒng)及綜合能源系統(tǒng)等開展仿真研究，集團前期先后引進了Ansys，V

IT等仿真軟件，構(gòu)建起電力一次裝置、電力電子裝備、綜合能源系統(tǒng)仿真平臺。目前已具備一次設(shè)備電、磁、力、熱等全場景仿真能力，有力支撐國際一流裝備制造商建設(shè)。1、山東電工電氣集團簡介

油浸式變壓器油箱是容納器身、充注變壓器油的盛油容器，是裝配變壓器外部結(jié)構(gòu)件的骨架，同時有散熱冷卻的作用，變壓器油箱應(yīng)具有一定的機械強度，能夠滿足下列工況要求：1.承受變壓器器身、油及總體的起吊重；2.承載地震、大風等極限載荷作用力；3.承受運輸中的沖擊作用力；4.承受真空注油時大氣壓力的作用；5.承受內(nèi)部油壓的作用。2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用應(yīng)用場景1—變壓器油箱機械強度分析

模型簡化

是進行CAE仿真

的關(guān)鍵步驟，SpaceClaim提供了便捷的模型簡化工具，如拉伸、去孔、抽中面、檢查干涉等。

變壓器作為一種薄壁設(shè)備，在進行CAE仿真時，需要對薄壁結(jié)構(gòu)抽中面，從而減少網(wǎng)格數(shù)量，提高仿真精度。2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用（1）模型簡化--SpaceClaim

對于變壓器等薄壁類產(chǎn)品，不僅可以通過全局網(wǎng)格、局部網(wǎng)格控制網(wǎng)格尺寸，而且可以采用曲率自適應(yīng)和鄰近細化等方法自動在倒角、孔洞等關(guān)鍵特征處加密網(wǎng)格，實現(xiàn)網(wǎng)格高質(zhì)量劃分。（2）

網(wǎng)格剖分2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用

對于連接部位，網(wǎng)格在交界面處采用節(jié)點共享拓撲，避免插值誤差。

變壓器油箱一般采用Q235B、Q355B等材料，該類材料通常沒有明顯的屈服現(xiàn)象，通常規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力值為其屈服強度。進行變壓器強度仿真時，需要考慮材料的非線性行為，采用理想雙線性等向強化材料模型（切線模量設(shè)為0）進行材料特性描述。

由于進行了模型簡化，需要施加虛擬質(zhì)量點（PointMass）來模擬變壓器油等物質(zhì)的行為。質(zhì)量點是理想的，用于增加結(jié)構(gòu)的慣性質(zhì)量或施加慣性載荷。（3）求解2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用

變壓器仿真中，常用的接觸類型是綁定解除（bonded），然而對于抽中面后的殼體結(jié)構(gòu)分析，綁定解除往往會造成計算收斂性變差。采用MPC接觸，通過剛性約束直接構(gòu)造理想化模型，避免了穿透量對結(jié)果的干擾，能避免虛假剛體模態(tài)，提高收斂性。

變壓器靜力學分析中經(jīng)常會由于約束不足帶來病態(tài)矩陣錯誤，該錯誤也是ANSYS常見的錯誤之一，這主要源于模型簡化、邊界條件設(shè)置不當或物理系統(tǒng)特性等因素。打開弱彈簧，可以抵消數(shù)值計算誤差帶來的微小分力；同時，弱彈簧的剛度遠小于結(jié)構(gòu)的剛度（通常為結(jié)構(gòu)最小剛度的百萬分之一），對變形和應(yīng)力分布的影響可忽略不計。（3）求解2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用

變壓器靜力學分析中，雖然沒有時間維度，但是由于存在材料非線性以及可能存在的幾何非線性，打開子步，可以將總載荷分為多個子步逐步施加，使求解器能夠在每個子步內(nèi)通過迭代捕捉非線性變化，避免因系統(tǒng)剛度可能發(fā)生突變造成計算不收斂。

進行變壓器正壓、抽真空等工況仿真時，油箱底部設(shè)置固定約束（FixedSupport），油箱內(nèi)壁施加壓力載荷

（Pressure），可以避免定義額外的剛度參數(shù)或解除條件，降低計算復(fù)雜度，經(jīng)試驗驗證，比較符合真實工況。（3）求解2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用（4）后處理2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用

Workbench內(nèi)嵌了豐富的后處理工具，變壓器行業(yè)主要涉及應(yīng)力、變形等后處理。

塑性材料多發(fā)生屈服失效，一般采用馮

·米塞斯應(yīng)力作為失效判定指標：

變壓器中，最大變形量決定了油箱的耐壓能力，變形量越小，油箱越堅固可靠。自定義變形應(yīng)力螺栓

大型變壓器體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重心高，需要重點考慮其抗震性能，一般依據(jù)《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》

(GB50260)，采用響應(yīng)譜分析替代瞬態(tài)動力學進行變壓器的抗震分析。

響應(yīng)譜分析是一種用于評估結(jié)構(gòu)在地震等動態(tài)載荷作用下的最大響應(yīng)的工程分析方法。它的核心原理是利用單自由度系統(tǒng)的響應(yīng)特性，通過模態(tài)分析將多自由度系統(tǒng)分解為多個單自由度系統(tǒng)，并結(jié)合響應(yīng)譜曲線，依據(jù)模態(tài)疊加法來計算結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)。

響應(yīng)譜分析基于模態(tài)分析，其結(jié)果與模態(tài)分析的精度密切相關(guān)，因此，在響應(yīng)譜分析中采用模態(tài)疊加法進行變壓器的抗震分析的前提是保證模態(tài)分析的精度。應(yīng)用場景2—變壓器抗震分析2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用

首先，進行模態(tài)分析時，需要保證6個方向的模態(tài)有效質(zhì)量與總質(zhì)量之比均在90%以上，才能保證計算的可靠性。然而，在實際工程應(yīng)用中，稍微復(fù)雜一些的模型就需要上百階模態(tài)才能保證該比值能夠達到90%以上。尤其對于變壓器類產(chǎn)品，該要求往往十分困難，所以可以針對主要激勵方向，重點保證此方向的比值。

然后，根據(jù)技術(shù)協(xié)議中提供的水平加速度大小，輸入抗震設(shè)計標準反應(yīng)譜，考慮水平加速度和豎直加速度、反應(yīng)譜特征周期、阻尼比、衰減系數(shù)等因素。應(yīng)用場景2—變壓器抗震分析2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用

響應(yīng)譜分析中需要將Number

of

Modes

To

USE定義為ALL，將所有模態(tài)階次應(yīng)用于抗震分析。

根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果，判斷是否存在頻率密集現(xiàn)象，進而在譜分析中選擇對應(yīng)的組合形式。

當前一階模態(tài)頻率的1.1倍小于后一階模態(tài)頻率時

，認為模態(tài)頻率分布較為密集

，可以采用ROSE和CQC算法，模態(tài)頻率分布較為均勻時選用SRSS算法。應(yīng)用場景2—變壓器抗震分析2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用CQC:模態(tài)頻率分布較為密集，且有阻尼ROSE:模態(tài)頻率分布較為密集SRSS:模態(tài)頻率分布較為均勻f2

≤

1.1×

f1應(yīng)用場景2—變壓器抗震分析

Missing

Mass

Effect對峰值應(yīng)力和約束反力有較大影響，該選項是譜分析中最重要的設(shè)置，進行變壓器抗震分析時，建議打開該選項。

由于進行模態(tài)分析時，很難保證模態(tài)有效質(zhì)量與總質(zhì)量之比達到1，因此總會出現(xiàn)模態(tài)遺失的現(xiàn)象，進而使得模型質(zhì)量減小造成較大誤差

。設(shè)置MissingMassEffect后，可以提高計算的準確性。

最后，提取計算結(jié)果，分析最大應(yīng)力值和最大變形量，判斷抗震能力。2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用應(yīng)用場景3—變壓器防爆分析

變壓器油中電弧故障易導致燃爆事故，采用ANSYSWorkbench，

首先，利用Fluent模塊對變壓器油中氣泡的爆燃過程進行精細模擬，精準捕捉油箱內(nèi)部在爆燃過程中的動態(tài)變化，從而獲取到構(gòu)建好的變壓器力學模型上，通過數(shù)值計算，最終獲得變壓2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用通過流固耦合算法，進行仿真模擬。

油箱整體的時變載荷。隨后，將計算得到的時變載荷精確施加

器油箱在爆燃載荷作用下的應(yīng)力響應(yīng)情況，

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GasInsulated

Switchgear，簡稱GIS）是一種以氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)的高壓開關(guān)設(shè)備。GIS設(shè)備體積龐大，難以在振動臺上考核其抗震性能，且存在耗費高的問題，高壓電器企業(yè)普遍較少在前期設(shè)計環(huán)節(jié)對產(chǎn)品抗震評估。

采用ANSYS進行GIS的抗震分析，計算結(jié)果可以指導組合電器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，評估設(shè)備抗震能力，避免裕度過剩，提高安全裕度。應(yīng)用場景4—GIS抗震分析2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用線，鋼芯鋁絞線在使用過程中要經(jīng)受多重荷載，如張拉荷載、彎曲磨損作用、振動疲勞效應(yīng)等，使得電纜導線的受力極其復(fù)雜。

采用顯示動力學算法，利用SpaceClaim建立鋼芯鋁絞線的實體模型，計算節(jié)徑比、不同絞合參數(shù)、不同導線直徑下電纜的機械性能，大大節(jié)省了試驗成本，加快了研發(fā)效率。應(yīng)用場景5—電纜受力及熱場分析

特高壓輸電線路中使用的導線通常是鋼芯鋁絞線，是一種由單層或多層鋁股線絞合一起的加強型導應(yīng)力曲線2.00E–042.50E–043.00E–043.50E–044.00E–044.50E–042、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用70060050040030020010000.00E+00網(wǎng)格剖分三維模型摩擦接觸邊界條件系列1系列2

系列3系列4系列55.00E–051.00E–041.50E–04應(yīng)用場景5—電纜受力及熱場分析

采用Fluent

，針對兩種不同的單芯電纜結(jié)構(gòu)：新型護層結(jié)構(gòu)電纜和皺紋鋁套電纜，在交流電流作用下，計算電纜的溫度場。

分析了兩種電纜的溫度場分布的特性；

定量比較了不同結(jié)構(gòu)類型的電纜在不同載流

量、不同排列方式下熱點溫升。

了解溫度分布特性，探究結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理，最

終指導結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化電力電纜設(shè)計。2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用新型電纜鎧裝電纜對于特殊運輸路況，遠距離海運還需要做運輸強度仿真。對于特高壓產(chǎn)品，一般還需要做防爆強度仿真?？拐鹨?40MVA/220kV變壓器產(chǎn)品為例，投產(chǎn)前需做以下結(jié)構(gòu)仿真，以保證產(chǎn)品質(zhì)量可靠。2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用變壓器三維結(jié)構(gòu)示意圖正壓試驗總重起吊負壓試驗頂升拖拉ANSYS結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的設(shè)計、研發(fā)和制造中，特別是在高電壓，2、ANSYS結(jié)構(gòu)仿真在電力設(shè)備中的應(yīng)用大容量，特殊應(yīng)用場景的重大產(chǎn)品、重大工程的結(jié)構(gòu)安全性面發(fā)揮了重要作用。江蘇鳳城-梅里500kV385米長江大跨越高塔扎魯特-青州±800kV特高壓換流變壓器濟南1000kV變電站擴建工程GIS1000kV滬西站特高壓交流變壓器荊門-武漢1000kV特高壓電纜1100kV蒙西站特高壓電抗器

應(yīng)力集中是由于幾何形狀的突變或載荷的突變（如集中力、約束點），導致局部區(qū)域的應(yīng)力顯著高于周圍區(qū)域的現(xiàn)象，是一種真實的物理現(xiàn)象?？梢栽趹?yīng)力集中區(qū)域使用網(wǎng)格細化技術(shù)（局部加密、映射網(wǎng)格、邊界層網(wǎng)格等），確保應(yīng)力集中區(qū)域有3-5層單元（尤其是二階單元）。

應(yīng)力奇異是由于幾何或邊界條件的數(shù)學奇異性（如理想尖角、理想點約束/點載荷），導致有限元解在奇點處的應(yīng)力值理論上趨于無窮大的現(xiàn)象，是一種數(shù)值計算假象?？梢酝ㄟ^添加微小圓角、避免施加